Spatiul si timpul inaintea lui Einstein

Ce sunt spatiul si timpul? Exista ele în mod absolut sau doar în raport cu materia? Constituie un decor fix sau sunt scena pe care se joaca spectacolul vietii? Asemenea întrebari sunt vechi precum însasi filosofia. Cum au vazut fizicienii dinainte de Einstein spatiu-timpul?

Spatiul si timpul inaintea lui Einstein
Zenon din Citium

Filozoful stoic, Zenon din Citium, 344 – 262 i.Hr. (a nu fi confundat cu înaintasul Zenon din Elea, autor al paradoxurilor lui Zenon), sustinea ca spatiul si timpul sunt ireale, din moment ce ele nu pot actiona asupra materiei si nici nu se poate actiona asupra lor de catre materie. Asemenea argumente erau cândva considerate pur metafizice. Daca este asa, atunci Sonda Gravitationala B („Gravity Probe B” – misiune spatiala bazata pe sateliti) dovedeste ca si propozitiile metafizice pot fi testate prin experimente! Ar fi greu de imaginat o demonstratie mai directa ca spatiu-timpul actioneaza asupra materiei decât efectul geodetic (deformarile spatiu-timpului înclina un giroscop care se învârte) sau o dovada mai convingatoare ca materia reactioneaza asupra spatiu-timpului decât efectul de „tragere” (în procesul sau de rotatie, Pamântul trage spatiul si timpul dupa el).

Viziunea lui Zenon a fost o versiunea extrema a viziunii relationale a spatiului (spatiul exista în masura în care acesta este asociat materiei). De fapt, el a considerat conceptul de „spatiu gol” ca fiind o contradictie în termeni, din moment ce daca spatiul ar fi fost într-adevar gol, nu ar mai fi fost nimic, prin urmare, totul era inexistent.

Contrar acestei viziuni este viziunea absoluta, conform careia spatiul exista în mod independent fata de materie. Ea poate fi urmarita înapoi în timp pâna la Leucippus din Abdera (în jurul anului 450 i.Hr.), primul dintre atomistii greci (mai târziu epicurienii) care a introdus conceptul unui gol preexistent, asemeni „golului dintre atomi”. Cea mai timpurie afirmatie „supravietuitoare” referitoare la viziunea absolutista a fost atribuita de catre Max Jammer (în „Concepte ale Spatiului”, 1954) filozofului pitagoreic Archytas (428 – 347 i.Hr.): „Din moment ce tot ce se misca este miscat într-un anumit loc, este de la sine înteles ca locul în care obiectul este miscat sau va fi miscat trebuie întâi sa existe”.

aristotle_pic
Aristotel

Aristotel (384 – 322 i.Hr.) a construit o minutioasa teorie hibrida a viziunilor absolute si relationale. Acesta a fost destul de dispretuitor fata de predecesorii sai, scriind (în cartea numarul 4 a „Fizicii”): „Întâmpinam probleme când încercam sa spunem care este locul exact a unui obiect… Nici predecesorii mei nu au reusit sa gaseasca un raspuns sau macar sa formuleze unele întrebari pe baza acestui subiect”. A acceptat argumente similare cu cele ale lui Archytas, însa nu agrea deloc idea atomistica a golului, „din moment ce nu poate fi preferata o linie de miscare mai mult decât cealalta, în masura în care golul, ca atare, este incapabil de diferentiere… atunci, cum poate exista orice miscare naturala în golul nelimitat, nediferentiata”. Pentru a ocoli acest impediment, Aristotel a dezvoltat idea ingenioasa conform careia spatiul este definit de ceea ce îl contine. Aristotel a progresat în acesta directie, ajungând la captivanta imagine a unui univers al carui cadru de referinta este definit de firmament, având ca limita superioara stelele, iar ca limita inferioara, centrul Pamântului: „Centrul Universului si suprafata interioara a „cerurilor rotative” constituie limitele absolute, inferioare si superioare; prima fiind absolut stabila, iar a doua, constanta, ca întreg, pe pozitia sa”.

Antichitatea târzie pâna în Evul Mediu

Natura timpului si a spatiului au fost dezbatute cu nerabdare în aceasta maniera, de catre antici. Filozoful epicurian Lucretius (99 – 55 i.Hr.) este posibil primul care a argumentat explicit, o viziunea relationala a timpului, notând în „Natura Universului” ca: „Timpul ca entitate nu exista… Nu trebuie presupus ca cineva simte timpul ca entitate separata de miscarea lucrurilor”.

Claudius Ptolemeu (85 – 165), în esenta, a completat sistemul lui Aristotel, folosind numai miscari circulare si viteze uniforme astfel încât sa „salveze fenomenul” în fata cresterii observatiilor precise. Modul în care a facut aceste lucruri indica viziunea absoluta, opusa aspectului relational al gândirii lui Aristotel, care anticipeaza principiul lui Mach numai în masura în care „cadrul stelelor fixe” sau „centrul Pamântului” poate fi considerat drept material. Adoptând ideea timpurie a lui Hipparchus, Ptolemeu a deplasat, mai întâi, centrul orbitei Soarelui fata de centrul Pamântului (excentritate). Apoi, a adaugat unele notiuni planetare, precum deferent, epiciclu si ecuant (toate acestea erau puncte sau curbe preferate în spatiul gol, unele dintre ele având chiar propriile miscari). Este posibil sa fi intentionat introducerea unor asemenea „puncte vide” pentru a avea pozitii definite sau miscari relative fata de un tip de materie divina care patrundea în gol, deoarece a notat (în lucrarea sa „Almagest”): „Prima cauza a primei miscari a Universului, daca cineva o considera simpla, poate fi imaginata asemeni unei zeitati invizibile si nemiscate”. Daca aceasta ipoteza este adevarata, atunci Ptolemeu l-a anticipat pe Newton, care se va referi la notiunea de spatiu absolut cu câteva secole mai târziu, în lucrare sa „Opticks”.

sf-augustin
Sfantul Augustin

Sfântul Augustin (354 – 430) a dat o întorsatura teologica argumentelor lui Lucretius privind natura relationala a timpului, dupa cum a afirmat în lucrarea „Confessions”, subliniind ca „Dumnezeu a creat lume cu timp, nu în timp”. Cu alte cuvinte, timpul a început sa existe odata cu aparitia materiei, opinie care prevestea Teoria Big-Bang-ului sustinuta astazi de cosmologi.

Conceptiile lui Aristotel au fost dominante pentru majoritatea perioadei, însa au fost ocazional combatute de unii liber-cugetatori îndrazneti, asemeni lui John Philoponus (490 – 570), care a sustinut o perspectiva mai pur absoluta si a reactionat împotriva ideii ca spatiul este definit de ceea ce îl contine: „Locul nu este parte adiacenta a corpului înconjurator…Este un interval dat, masurabil în trei dimensiuni; este distinct fata de corpurile din interiorul lui si este, prin natura sa, imaterial. Cu alte cuvinte, este reprezentat doar de acele dimensiuni, fara nici un alt corp”.

Revolutia stiintifica

Nicolaus Copernicus (1473 – 1543) a re-localizat centrul Universului lui Aristotel ca fiind Soarele, si nu Pamântul. Totusi, aceasta re-localizare nu a fost atât de îndrazneata precum s-a crezut deseori, din moment ce Hipparchus si Ptolemeu au mutat deja „orbita” Soarelui mai departe de centrul Pamântului (prin introducerea excentricitatii). În sprijinul acestei afirmatii, însasi Copernicus a notat aproape de începutul lucrarii „De Revolutionibus”: „Nimic nu împiedica Pamântul sa se miste… Pentru ca nu este centrul tuturor miscarilor de revolutie”. Mai mult, desi a recentrat Universul pe Soare, Copernicus nu a atasat dinamic spatiul la cadrul de referinta al Soarelui sau oricarui alt corp, însa l-a urmat pe Aristotel în asocierea metafizica a acestuia cu „sfera stelelor fixe”, despre care (el a notat): „se contine pe sine si tot ce exista, fiind astfel inamovibil. Este fara îndoiala locul Universului, fata de care miscarea si pozitia tuturor celorlalte corpuri celeste sunt comparate”.

Spatiul si timpul inaintea lui Einstein (2)
Galileo Galilei

50 de ani mai târziu, observatiile astronomice nu au mai putut fi reconciliate cu notiunea de sfere planetare rigide, ceea ce l-a facut pe Johannes Kepler (1571 – 1630) sa declare: „De acum înainte, planetele îsi urmeaza traiectoriile prin eter asemeni pasarilor prin aer. Asadar, trebuie sa filozofam în mod diferit despre aceste lucruri”. Opinii precum acestea l-au condus la ideea radicala de atasare a cadrului de repaus al spatiului la corpuri fizice si nu la constructii metafizice (concepute prin intermediul fortelor care se extind în afara Soarelui, mentinând planetele pe propriile orbite). Legile miscarilor planetare pe care le-a dedus ulterior, au fost caracterizate de catre Julian Barbour, în lucrarea „Descoperirea dinamicii” (1989), ca un „triumf asupra Principiului lui Mach”.

O schimbare subtila, însa similara a gândirii l-a afectat si pe Galileo Galilei (1564 – 1642). În loc sa identifice stelele fixe împreuna cu cadrul spatial de repaus, într-un sens abstract, el a afirmat (în lucrarea „Dialogo”) ca acestea sunt într-un repaus fizic în spatiu: „Stele fixe (care sunt la fel de multi sori) sunt în acord cu Soarele nostru de a ramâne într-o stare de repaus perpetua”. Cu toate acestea, Galileo nu s-a interesat mai departe despre cum poate fi definita aceasta stare de „repaus” si se pare ca a adoptat, mai degraba, o viziune absolutista a spatiului. De fapt, el a fost primul care a utilizat termenul „miscare absoluta”, în teoria mareelor. De asemenea, si Réné Descartes (1596 – 1650) a crezut, în mod implicit, în spatiul absolut si a folosit conceptul pentru a ajunge la o concluzie similara cu eventuala prima lege a miscarii a lui Newton. Cu toate acestea, dupa ce a aflat de procesul lui Galileo intentat de Inchizitie, a amânat publicarea rezultatelor sale cu mai mult de un deceniu, pentru ca apoi sa le prefateze (în lucrarea „Principia Philosophiae”) printr-o repudiere care preciza ca toate formele de miscare sunt, pâna la urma, relative! Este posibil ca el sa fi fost primul care s-a ghidat atât dupa viziunea absolutista, cât si dupa cea relationala, în acelasi timp.

„Galeata lui Newton”

Isaac Newton (1643 – 1727) nu a fost multumit cu aceste contradictii si a acuzat (în „De Gravitatione”) ca daca toate formele de miscare sunt într-adevar relative, precum a mentionat Descartes, atunci „se subîntelege ca un corp aflat în miscare nu are o viteza determinata si nici o traiectorie definita pe care sa o urmeze”. Se observa partiala nevoie de înlaturarea a oricarei confuzii, astfel ca si-a exprimat în mod categoric în aceste linii celebre ale lucrarii „Principia”: „Timpul absolut, adevarat si matematic, prin însasi natura sa, curge uniform fara nici o legatura cu ceva extern… spatiul absolut, prin natura sa, fara legaturi cu ceva extern, ramâne mereu similar si inamovibil”. El a mai adaugat ca existenta spatiului absolut poate fi demonstrata prin suspendarea cu o frânghie a unei galeti cu apa, apoi rotirea acesteia…

Galeata lui Newton
Galeata lui Newton

Faptul ca suprafata apei a capatat, gradual, o forma concava, a aratat ca rotatia se producea respectând ceva; cum altfel ar fi stiut ce sa faca? Cu alte cuvinte, dovada existentei spatiului, ar putea fi gasita în inertia materiei. Cel mai formidabil critic al lui Newton a fost matematicianul si filozoful Gottfried Wilhelm Leibniz (1646 – 1716), care a replicat într-o dezbatere cu discipolul lui Newton, Samuel Clarke, ca „spatiul nu este nimic altceva decât o ordine a existentelor lucrurilor, observate ca existând împreuna; astfel ca fictiunea unui univers material finit, care se misca într-un spatiu gol infinit, nu poate fi admisa… O asemenea actiune ar fi fara nici model în ea: ar functiona fara sa faca nimic concret… Nu ar fi nici o schimbare, fapt care ar putea fi observat de orice persoana”.

O afirmatie si mai explicita a viziunii relationale a apartinut filosofului Bishop George Berkely (1685 – 1753), considerat „parinte al idealismului”, care a notat (în „De Motu”) ca într-un spatiu gol ar fi imposibil de conceput, de exemplu, doua corpuri care sa orbiteze în jurul unui centru comun (pentru ca un observator care se misca în acelasi timp cu corpuri nu ar putea sesiza nici o modificare), însa, „presupunem ca este creata bolta stelelor fixe; brusc, prin sesizarea apropierii corpurilor de diferite puncte ale boltei, miscarea va fi perceptua?”.

Principiul lui Mach

Daca afirmatia lui Newton a fost definitiva pentru viziunea absolutista a spatiului, atunci replica sa cea mai notorie a viziunii relationale a fost Ernst Mach (1838 – 1916), care s-a adresat, în mod direct, argumentului referitor la galeata al lui Newton, notând în „Stiinta Mecanicii” (1883): „Nimeni nu este destul de competent pentru a spune care ar fi fost rezultatul experimentului daca marginile vasului ar fi crescut în grosime si masa pâna când, în final, ar fi avut o grosime de câtiva kilometri”. Cu alte cuvinte, o galeata suficient de masiva ar putea prelua miscarea inertiala a apei, lasând suprafata apei sa fie plata.

Galeata lui Mach
Modelul experimental modificat al lui Mach

Principiul lui Mach, dupa cum a început sa fie recunoscuta aceasta idee, s-a dovedit a fi destul de dificil a fi formulat într-o maniera precisa din punct de vedere fizic si mai dificil de a fi testat experimental. La o conferinta pe acest subiect care a avut loc în 1993 la Tübingen, savantii au discutat despre cel putin 21 de versiuni diferite ale „Principiului lui Mach” aparute în literatura stiintifica, unele dintre acestea fiind mutual contradictorii. Acesta este probabil motivul pentru care ideile relationale ale lui Mach s-au dovedit a fi mai putin prolifice si mai degraba surse de inspiratie în fizica.

Totusi, ele au dus la realizarea unor investigatii experimentale fascinante, chiar si înainte de perioada lui Einstein. În 1894, Immanuel Friedlaender (1871 – 1948) a cautat dovezi pentru a evidentia faptul ca o roata de moara grea, aflata în rotatie, poate exercita o forta de tip Mach asupra unei sensibile balante de torsiune, însa a recunoscut (în lucrarea „Miscare absoluta sau relativa?”) ca nu a avut nici un rezultat viabil.

Cunoscutul fizician August Föppl (1854 – 1924) a cautat o metoda de asociere între miscarea de rotatie a Pamântului si o pereche de volante grele, având alinierea axelor de rotatie reglabila de-a lungul liniilor de latitudine sau de longitudine. Nici el nu a reusit sa obtina vreun rezultat, însa a notat ca precizia experimentala a fost limitata la aproximativ doua procente. Föppl si-a publicat lucrarea în 1904, cu un an înainte de aparitia teoriei speciale a relativitatii a lui Einstein.

Chiar si Einstein a fost influentat de viziunea lui Mach, astfel ca, în 1918, a notat Principiul lui Mach ca unul dintre cei trei piloni ai teoriei relativitatii generalizate. Cu toate acestea, ulterior a devenit clar ca relativitatea generala este cel mult partial „Machiana”, astfel ca interesul lui Einstein a scazut. În 1954, i-a scris unui coleg: „De fapt, nimeni nu ar trebui sa mai discute deloc despre Principiul lui Mach”. (De cealalta parte, entuziasmul initial al lui Mach referitor la munca lui Einstein a început sa scada, iar în 1913 a declarat: „Trebuie… cu certitudine sa neg faptul de a fi un predecesor al relativistilor”)

Experimentele asemeni Sondei Gravitationale B nu trebuie imaginate ca teste ale Principiului lui Mach (care nu este definit corect), ci, mai degraba, ca teste ale unor teorii specifice ale gravitatiei (care ar putea sau nu sa aiba încorporate caracteristici „Machiane” bine definite, cum ar fi fenomenul de „tragere”). Totusi, este posibil sa ne imaginam ca Sonda Gravitationala B este o realizarea moderna a experimentului cu galeata al lui Newton, în care vasul rotativ, urias si masiv, este planeta noastra, iar rolul suprafetei apei este jucat de giroscoapele orbitale care sunt de milioane de ori mai sensibile decât cele mai bune sisteme giroscopice inertiale pe Pamânt.

http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/3619-spatiu-timpul-inainte-de-einstein-1.html

Bogdan

Per aspera ad astra