Wykład 09

Teoria Względności – Kulisy

Zbigniew Osiak (Tekst)

Małgorzata Osiak (Ilustracje)

© Copyright 2012 by

Zbigniew Osiak (text) and Małgorzata Osiak (illustrations)

Wydawnictwo: Self Publishing

e-mail: zbigniew.osiak@gmail.com

Linki do moich publikacji naukowych i popularnonaukowych, e-booków oraz audycji telewizyjnych i radiowych są dostępne w bazie ORCID pod adresem internetowym:

http://orcid.org/0000-0002-5007-306X

Wstęp

W 2011 i 2012 wygłosiłem dla słuchaczy Uniwersytetu Trzeciego Wieku w Uniwersytecie Wrocławskim cykl wykładów:

01. Teoria Względności – Podstawy

02. Teoria Względności – Wyniki/Rezultaty

03. Teoria Względności – Testy

04. Teoria Względności – Zastosowania

05. Teoria Względności – Problemy

06. Teoria Względności – Błędne Interpretacje

07. Teoria Względności – Prekursorzy

08. Teoria Względności – Twórcy

09. Teoria Względności – Kulisy

10. Teoria Względności – Kosmologia Relatywistyczna

11. Teoria Względności – Czarne Dziury

12. Teoria Względności – Fale Grawitacyjne

13. Teoria Względności – Antygrawitacja

14. Teoria Względności – Kalendarium

Szczegółowe informacje dotyczące sygnalizowanych tam zagadnień zainteresowani Czytelnicy znajdą w innych moich eBookach:

• Z. Osiak: Szczególna Teoria Względności. Self Publishing (2012).

• Z. Osiak: Ogólna Teoria Względności. Self Publishing (2012).

• Z. Osiak: Antygrawitacja. Self Publishing (2012).

• Z. Osiak: Giganci Teorii Względności. Self Publishing (2012).

• Z. Osiak: Energia w Szczególnej Teorii Względności. Self Publishing (2012).

• Z. Osiak: Ilustrowany Słownik Fizyki. Self Publishing (2012).

• Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Teoria Względności. Self Publishing (2012).

Teoria Względności – Kulisy

Kulisy Teorii Względności

Niefortunna nazwa

Dlaczego Einstein nie był kobietą?

Giganci teorii względności

Kto odkrył transformacje Lorentza?

Kulisy Teorii Względności

Niefortunna nazwa

Dlaczego Einstein nie był kobietą?

Giganci teorii względności

Kto odkrył transformacje Lorentza?

Niefortunna nazwa

• Teoria względności powinna mieć inną nazwę ze względu na badane w jej ramach zagadnienia.

• Powinna nazywać się teorią inwariantów i kowariantów (niezmienników i współzmienników).

• Szczególna teoria względności bada niezmienniki i współzmienniki w układach inercjalnych w nieobecności pola grawitacyjnego.

• Ogólna teoria względności bada niezmienniki i współzmienniki w dowolnych układach odniesienia w obecności pola grawitacyjnego.

• Planck nazwał (1906) teorię Einsteina [zasadą względności] teorią względności.

• Nazwa niemiecka: [das] Prinzip der Relativität.

• Synge proponował, aby nazywać teorię względności teorią rozchodzenia się sygnałów.

• M. Planck:

Das Prinzip der Relativität und die Grundgleichungen der Mechanik.

Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft 4 (1906) 136-141.

Zasada względności i podstawowe równania mechaniki.

• J. L. Synge:

Talking about relativity.

North-Holland Publishing Company, Amsterdam 1970.

Istnieje polski przekład:

• J. L. Synge:

Porozmawiajmy o teorii względności.

PWN, Warszawa 1974.

[Biblioteka Problemów, tom 190]

• Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947), niemiecki fizyk-teoretyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1918.

• John Lighton Synge (1897-1995), irlandzki fizyk-teoretyk i matematyk.

Dlaczego Einstein nie był kobietą?

Odpowiedź na to pytanie stanie się jasna, gdy prześledzimy przebieg kariery naukowej Amalii Emmy Noether – rówieśnicy Einsteina.

• Albert Einstein (1879-1955)

genialny fizyk-teoretyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1921

• 1900 - Ukończył politechnikę w Zurychu.

• 1905 - Doktoryzował się na Uniwersytecie w Zurychu.

• 1913 - Został członkiem Pruskiej Akademii Nauk.

• 1921 - Otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki za wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego.

• 1933 - Wyemigrował do Ameryki.

• Amalie Emmy Noether (1882-1935)

niemiecka matematyczka

• 1900/1902 - Studiowała bez matrykulacji matematykę w Erlangen.

• 1903 - Studiowała bez matrykulacji matematykę w Getyndze.

• 1904 - Uzyskała pozwolenie na matrykulację na Uniwersytecie w Erlangen.

• 1907 - Doktoryzowała się na Uniwersytecie w Erlangen.

• 19??/19?? - Pracowała jako wolontariuszka w Instytucie Matematyki Uniwersytetu w Erlangen.

• 1915 - Pracowała jako wolontariuszka w Instytucie Matematyki Uniwersytetu w Getyndze.

• 1919 - Habilitowała się w Getyndze.

• 1922 - Otrzymała tytuł nieoficjalnego profesora nadzwyczajnego w Getyndze, umożliwiający jej prowadzenie wykładów.

• 1928/1929 - Wykładała w Moskwie.

• 1930 - W semestrze letnim wykładała we Frankfurcie.

• 1933 - Wyemigrowała do Ameryki.

• W 1904 przyznano kobietom prawo do studiowania na uniwersytetach.

• W 1919 przyznano kobietom prawo do habilitacji.

Giganci teorii względności

• Georg Friedrich Bernhard Riemann (1826-1866), niemiecki matematyk i fizyk-teoretyk.

• Elwin Bruno Christoffel (1829-1900), niemiecki matematyk.

• Gregorio Ricci-Curbastro (1853-1925), włoski matematyk.

• Tulio Levi-Civita (1873-1941), włoski matematyk.

• Marcell Grossmann (1878-1936), szwajcarski matematyk.

• Albert Abraham Michelson (1852-1931), amerykański fizyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1907.

• Baron Roland von Eötvös (1848-1919), węgierski geofizyk.

• Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928), holenderski fizyk-teoretyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1902.

• Albert Einstein (1879-1955), genialny fizyk-teoretyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1921.

• (Jules) Henri Poincaré (1854-1912), francuski matematyk, fizyk i filozof.

• Hermann Minkowski (1864-1909), niemiecki matematyk i fizyk-teoretyk.

• David Hilbert (1862-1943), niemiecki matematyk.

• Sir Arthur Stanley Eddington (1882-1944), brytyjski astronom, astrofizyk, fizyk i matematyk.

• Willem de Sitter (1872-1934), holenderski matematyk, astronom i kosmolog.

• Carl Schwarzschild (1873-1916), niemiecki astronom i fizyk.

• Aleksandr A. Friedman (1888-1925), rosyjski matematyk i fizyk.

• Richard Chase Tolman (1881-1948), amerykański chemik i fizyk-teoretyk.

• Hermann Claus Hugo Weyl (1885-1955), niemiecki matematyk.

• Kurt Gödel (1906-1978), amerykański matematyk pochodzenia austriackiego.

• Roy Patrick Kerr (ur. 1934), nowozelandzki matematyk.

• Élie Joseph Cartan (1869-1951), francuski matematyk.

• Theodor Franz Eduard Kaluza (1885-1954), niemiecki fizyk-teoretyk.

• Edwin Powell Hubble (1889-1953), amerykański astronom i kosmolog.

• Georges Henri Joseph Édouard Lemaître (1894-1966), belgijski astrofizyk i kosmolog.

• Howard Percy Robertson (1903-1961), amerykański kosmolog.

• Arno Allan Penzias (ur. 1933), amerykański astrofizyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1978.

• Robert Woodrow Wilson (ur. 1936), amerykański radio-astronom, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1978.

• Aleksiej Zinowiewicz Pietrow (1910-1972), radziecki fizyk-teoretyk.

• J. Robert Oppenheimer (1904-1967), amerykański fizyk amerykański fizyk.

• Sir Roger Penrose (ur. 1931), brytyjski matematyk i fizyk-teoretyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 2020.

• Stephen William Hawking (1942-2018), brytyjski fizyk-teoretyk i kosmolog.

• Alan Harvey Guth (ur. 1947), amerykański fizyk-teoretyk i kosmolog.

.

• Riemann wprowadził pojęcie wielowymiarowej zakrzywionej przestrzeni (rozmaitości), która może być zdeformowana (ściśnięta lub rozciągnięta) w stosunku do płaskiej przestrzeni.

• Christoffel, Ricci-Curbastro, Levi-Civita i Grossmann stworzyli podstawy rachunku tensorowego, który jest językiem teorii względności.

• Michelson i Eötvös wykonali doświadczenia, których wyniki stanowią potwierdzenie założeń STW i OTW.

• Lorentz znalazł transformacje, względem których równania Maxwella są współzmiennicze.

• Einstein i Poincaré niezależnie od siebie opublikowali prace o STW.

• Należy podkreślić, że Einstein pracując nad STW nie wiedział o doświadczeniu Michelsona i nie znał pracy Lorentza o transformacjach

• Uwaga ta nie odnosi się do Poincaré, który zaproponował nazwę transformacje Lorentza, nadając im jednocześnie poprawną postać.

• Minkowski postulował, aby trójwymiarową przestrzeń i czas połączyć w czterowymiarową czasoprzestrzeń. Umożliwiło to nadanie równaniom STW eleganckiej postaci i ułatwiło Einsteinowi sformułowanie OTW.

• Einstein przewidział na podstawie OTW grawitacyjną dyfrakcję, grawitacyjne przesunięciu ku czerwieni, istnienie fal grawitacyjnych, wyjaśnił obrót orbity Merkurego oraz zaproponował pierwszy model kosmologiczny Wszechświata.

• Hilbert niezależnie od Einsteina podał poprawną postać równań pola.

• Eddington przeprowadził obserwacje ugięcia promieni świetlnych, które jednoznacznie potwierdziły słuszność wniosku wynikającego z OTW.

• De Sitter, Schwarzschild, Friedman, Tolman, Weyl, Gödel i Kerr znaleźli dokładne rozwiązania równań pola dla najbardziej realnych przypadków.

• Cartan zauważył, że przestrzeń może ulegać skręceniu. Rozszerzył OTW tak, aby równania pola opisywały wszystkie możliwe deformacje czasoprzestrzeni.

• Kaluza podjął próbę unifikacji grawitacji i elektromagnetyzmu w ramach pięciowymiarowej teorii.

• Hubble odkrył ucieczkę galaktyk, co stanowiło dowód słuszności teorii Friedmana rozszerzającego się Wszechświata.

• Robertson uporządkował ówczesną wiedzę na temat kosmologii relatywistycznej.

• Penzias i Wilson zarejestrowali mikrofalowe promieniowanie tła, uwiarygodniając tym samym teorię Wielkiego Wybuchu lansowaną przez Lemaître’a.

• Pietrow dokonał klasyfikacji pól grawitacyjnych.

• Oppenheimer opisał grawitacyjny kolaps, dało to początek burzliwemu rozwojowi fizyki czarnych dziur.

• Penrose i Hawking przeanalizowali zagadnienie osobliwości w czasoprzestrzeni.

• Guth stworzył teorię inflacji, która wyjaśniła “wszystkie” problemy związane z Wielkim Wybuchem.

• Einsteinowi zawdzięczamy głęboką, spójną i konsekwentną rewizję pojęć przestrzeni i czasu dokonaną w ramach STW i OTW.

Kto odkrył transformacje Lorentza?

• Poprawną postać transformacji znaleźli w 1905 niezależnie od siebie Einstein i Poincaré, który nazwał je transformacjami Lorentza.

• A. Einstein:

Zur Elekrodynamik bewegter Körper.

Annalen der Physik 17, 10 (1905) 891-921.

• H. Poincaré:

Sur la dynamique de l’ électron.

Comptes Rendus des séances de l’Académie des Sciences, Paris 140 (1905) 1504-1508.

• Albert Einstein (1879-1955), genialny fizyk-teoretyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1921.

• Henri Poincaré (1854-1912), francuski matematyk, fizyk i filozof.

• Voigt otrzymał (1887) transformacje, podobne do przekształceń Lorentza [k = 1], nie zmieniające postaci równania falowego.

• W. Voigt:

Ueber das Doppler’sche Princip.

Nachrichten von der Königlichen Gesellschaft der Wissenschaften und der Georg-Augusts-Universität zu Göttingen No 2 (10. März 1887) 41-51. [Sitzung vom 8. Januar]

• Woldemar Voigt (1850-1919), niemiecki fizyk-teoretyk.

• Larmor zaproponował (1900), cztery lata wcześniej niż Lorentz, relatywistyczne przekształcenia współrzędnych przestrzennych i czasu nie zmieniające postaci równań Maxwella.

• Przekształcenia podane przez Larmora i Lorentza były identyczne, zawierały ten sam błąd.

• J. Larmor:

Aether and Matter.

Cambridge 1900.

• H. A. Lorentz:

Electromagnetic phenomena in a system moving with any velocity smaller than that of light.

Proceedings of the Royal Academy of Sciences of Amsterdam 6 (1904) 809-831.

• Joseph Larmor (1857-1942), irlandzki fizyk-teoretyk i matematyk.