Electrodinámica de cuerpos en movimiento

Electrodinámica de cuerpos en movimiento


Titulo original	(de) Zur Elektrodynamik bewegter Körper
Presentado en	Septiembre de 1905 en Annalen der Physik
Autor (es)	Albert Einstein
Tipo	Artículo
Objetivo	generalización del principio de relatividad galileano

Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento hay un artículo de Albert Einstein publicado bajo el título " Zur Elektrodynamik bewegter Körper " en septiembre de 1905 por el periódico Annalen der Physik . Estos treinta páginas son famosos física , ya que plantean los fundamentos teóricos de lo que se llamará la " relatividad ", una de las principales teorías de la física del XX ° siglo. Varios académicos han publicado artículos y trabajos que anuncian esta teoría, en particular Henri Poincaré y Hendrik Lorentz , pero ningún científico destacado ha logrado descartar la noción de éter luminífero . Einstein, que busca generalizar el principio de la relatividad galileana y responde a sus reflexiones sobre la observación de la luz, prefiere plantear dos postulados: (1) “Todas las leyes de la física deben ser iguales para todos los observadores que se mueven a velocidad constante en relación con El uno al otro. " Y (2) " La velocidad de la luz debe ser la misma para todos los observadores inerciales, independientemente de sus movimientos relativos. "

La teoría así expuesta permite explicar varias observaciones, en particular la inducción electromagnética y el resultado negativo del experimento de Michelson y Morley , que las teorías anteriores no pueden explicar satisfactoriamente. La teoría reemplaza el tiempo absoluto y el espacio absoluto de Isaac Newton por el espacio-tiempo absoluto. Einstein demuestra la contracción de longitudes y la dilatación del tiempo . Es en este artículo donde aparece por primera vez la paradoja de los gemelos , pero Einstein usa relojes perfectamente sincronizados, que mueve en el pensamiento a diferentes velocidades.

Contexto

“En la visión newtoniana del mundo, el espacio y el tiempo eran absolutos e independientes de los eventos que allí se desarrollaban. Posteriormente, Einstein hizo que estos conceptos sufrieran una transformación (cuya radicalidad se oscurece por el hecho de que mantienen el mismo nombre), relacionando el espacio y el tiempo con los eventos que allí ocurren. " - John Barrow , 1996

El trabajo en dinámica del italiano Galileo (1564-1642) lo lleva al descubrimiento del principio de la relatividad galileana que afirma que es imposible decir, sobre la base de experimentos mecánicos llevados a cabo dentro de un sistema, si es estacionario o sigue un movimiento rectilíneo uniforme . En su Diálogo , el estudioso afirma efectivamente que “no hay un referente absoluto. Cualquier movimiento ocurre en relación a un marco de referencia elegido ” . Sus oponentes, aprovechando mejores datos astronómicos, se opusieron a él con cálculos que demostraban la validez del geocentrismo . El científico, severamente criticado por su apoyo al heliocentrismo , ve rechazada su teoría.

Hacia 1784, el físico inglés John Michell imagina que la luz, compuesta por corpúsculos según la teoría contemporánea, puede ralentizarse cerca de estrellas masivas. Por tanto, los científicos creen que la velocidad de la luz puede sumarse a la de la fuente emisora. El físico francés François Arago , en 1806 y luego en 1809-1810, intenta determinar si esta velocidad varía observando la luz proveniente de estrellas distantes, ya que la Tierra se acerca y se aleja de ella durante su curso alrededor del Sol. No encuentra diferencia, lo que le lleva a preferir la teoría ondulatoria del físico francés Augustin Fresnel en detrimento de la teoría corpuscular de Isaac Newton . Sin embargo, Arago pregunta por qué su experimento no logra resaltar una diferencia en la velocidad de la luz. Fresnel responde que la Tierra arrastra parcialmente un éter (por lo tanto, utiliza una hipótesis de Christian Huygens ). Sin embargo, esta hipótesis se considera poco convincente. De hecho, el "supuesto éter es un medio material ". Es complejo, dotado de extrañas propiedades ” . La materia, el espacio y el tiempo presentarían una "característica extraña" y desconocida que explica el "comportamiento inusual" del éter.

Por medio de la XIX ª siglo, el físico escocés James Clerk Maxwell , después de estudiar las experiencias del físico y químico británico Michael Faraday demuestra que la luz está compuesta de ondas electromagnéticas . "El asombroso formalismo de Maxwell [permite] predecir la existencia de ondas electromagnéticas que se propagan en el espacio a la velocidad de la luz , es decir " $c = 1 / {\ sqrt {\ mu _ {0} \ epsilon _ {0}}}$ , donde μ 0 es la permeabilidad magnética y ε 0 es la permitividad del vacío .

Según el físico británico Lord Kelvin en 1892, “la física está definitivamente constituida en estos conceptos fundamentales; todo lo que puede proporcionar ahora es la determinación precisa de algunos lugares decimales más. Hay dos pequeños problemas: el del resultado negativo del experimento de Michelson y el del cuerpo negro , pero se resolverán rápidamente y no afectarán nuestra confianza de ninguna manera. " El experimento de Morley y dos intentos posteriores más precisos, incluidos Michelson y Morley (cuyos resultados se publicaron en 1887), no logran resaltar el éter luminífero . El problema del cuerpo negro será estudiado por el físico alemán Max Planck , quien descubrirá la cuantificación de las interacciones electromagnéticas, uno de los fundamentos de la física cuántica .

En 1892, el físico holandés Hendrik Lorentz trató de explicar los resultados negativos del experimento de Michelson y Morley proponiendo que los cuerpos en movimiento se contraen en la dirección del movimiento (el físico irlandés George FitzGerald hizo una vez tal hipótesis en 1889). En 1892 y 1895, el investigador intentó explicar los fenómenos electromagnéticos resultantes de los marcos de referencia inerciales y que se mueven en el éter luminífero . Descubre que el paso de un marco de referencia a otro inercial se simplifica si hace uso de una nueva variable a la que llama "tiempo local" , que depende tanto de un tiempo llamado universal como del lugar estudiado. . De este modo, el investigador puede explicar la aberración de la luz y los resultados del experimento de Fizeau . En sus publicaciones, no intenta dar un significado físico a esta hora local.

En 1900 y 1904, el matemático y físico francés Henri Poincaré utilizó la hora local de Lorentz para demostrar que dos relojes en dos marcos de referencia móviles pueden sincronizarse mediante intercambios de señales luminosas que hipotéticamente se mueven a la misma velocidad, independientemente de la velocidad de los repositorios. . En 1899 y nuevamente en 1904, Lorentz argumentó que el tiempo se expande para los cuerpos en movimiento, lo que lo lleva a publicar lo que Henri Poincaré en 1905 llamó las “ transformaciones de Lorentz ”. En su artículo de 1904, Lorentz muestra que los resultados de los experimentos electrodinámicos no dependen del movimiento relativo del medio que sirve como referencia (sin embargo, 15 años después, todavía dará crédito a la hipótesis de un espacio absoluto y a la hipótesis del éter).

Deficiencias de las teorías contemporáneas

Otros investigadores intentan reconciliar la teoría newtoniana de los cuerpos en movimiento con experimentos. A principios del XX ° siglo, los científicos observan de hecho varias inconsistencias entre la experiencia y la teoría comúnmente aceptada:

De acuerdo a Isaac Newton Principia Mathematica , hay espacio absoluto y tiempo absoluto. Si bien estas dos nociones son criticadas por el filósofo irlandés George Berkeley (1685-1753), el científico alemán Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) y el físico y filósofo alemán Ernst Mach (1838-1916), se plantearán al "rango de dogma científico" . Newton saca varias conclusiones de las leyes de su sistema, incluyendo: “ Los movimientos relativos de los cuerpos en un [vehículo] dado son los mismos si ese [vehículo] está estacionario o animado por un movimiento uniforme. " Sin embargo, " ni descanso ni movimiento uniforme ' son absolutos como las leyes de Newton.
El teorema de la adición de velocidades de Galileo no es válido con respecto a la velocidad de la luz . Este último es siempre el mismo, independientemente de la velocidad de la fuente de luz.
“ La teoría de Maxwell hace una distinción injustificada entre reposo y movimiento. " Por ejemplo, suponga que un imán está ubicado cerca de una bobina de alambre conductor. Si se mueve el imán, una corriente eléctrica fluye a través del cable estacionario. Si es más bien la bobina la que se mueve, también será el asiento de una corriente eléctrica. En ambos casos, la teoría de Maxwell proporciona una "excelente explicación" , pero de acuerdo con dos enfoques físicos diferentes, incluso si la corriente eléctrica es la misma.
Se puede observar otra asimetría: la acción de las cargas eléctricas está descrita por las leyes de la electrostática en un marco de referencia "en reposo" y por las leyes de la electrodinámica en un sistema considerado en movimiento rectilíneo uniforme con respecto a otro. Tal diferencia en la descripción no está justificada. "
Si la ley galileana de la adición de velocidades se aplicara a la luz en el vacío, entonces la ley de Coulomb en electrostática y la ley de Biot y Savart tendrían que modificarse cuando se mueva un cable libre de corriente eléctrica. De hecho, este cable ejerce en este momento una fuerza electromagnética, que no puede explicar las dos leyes inalteradas. Si se cambiaran, sería necesario que variaran la permeabilidad magnética (μ 0 ), la permitividad del vacío (ε 0 ) o ambas. Sin embargo, son constantes dentro del marco de las leyes del electromagnetismo de Maxwell.
Ningún experimento ha podido demostrar el éter , un medio de propagación que, sin embargo, se considera esencial para el movimiento de las ondas electromagnéticas.

En 1905, Albert Einstein tenía 26 años. Empleado en el servicio de patentes en Berna , Suiza, es un desconocido para el científico “Gotha” . Leyó El valor de la ciencia (que analiza la medición del tiempo y la noción de espacio) y La ciencia y la hipótesis (en la que se discute notablemente la geometría no euclidiana y la simultaneidad ) de Henri Poincaré , obras que probablemente influyeron en él. No busca explícitamente reconciliar la teoría con las inconsistencias observadas. De hecho, desde los dieciséis años, ha estado buscando más una respuesta a esta pregunta: "¿Qué veríamos si persiguiéramos un rayo de luz a la velocidad de la luz?" " Por un razonamiento intuitivo que cae dentro del marco de la mecánica de Newton, " todo el mundo diría que yendo a la misma velocidad que la luz la veríamos inmóvil " . Sin embargo, la teoría de Maxwell y "todas las observaciones desde entonces" indican que la luz nunca está quieta y, por lo tanto, ningún observador, no importa qué tan rápido, puede ver la luz inmóvil. Además, “se basa en las ideas de Galileo, pero las extiende mucho, mucho más allá. " Por ejemplo, descubrió que la relatividad galileana es verdadera porque la velocidad de la luz es constante. En 1952 escribió: “Lo que me llevó más o menos directamente a la teoría especial de la relatividad fue la creencia de que la fuerza electromotriz que actúa sobre un cuerpo que se mueve en un campo magnético no es otra cosa que 'un campo eléctrico'. "

Sin darse cuenta de que los más grandes investigadores de la época intentaban en vano eliminar las inconsistencias entre las observaciones y la teoría, Einstein desarrolló lo que se llamaría la relatividad especial . En abril y mayo de 1905, durante cinco semanas de intenso trabajo, dio cuerpo a sus ideas. En junio de 1905, envió " Zur Elektrodynamik bewegter Körper " a Annalen der Physik , una revista de física escrita en alemán. “Al leer el manuscrito de Einstein, Max Planck , entonces director de la revista, se da cuenta de que los criterios científicos para la aceptación de la publicación se superan en gran medida: [Einstein] rompe las nociones tradicionales de espacio y tiempo para reemplazarlas con nuevos conceptos con propiedades totalmente contrarias a las comunes sentido. " En septiembre del mismo año, la opinión publica " su artículo fundación de 1905 sobre la relatividad " .

Publicación y traducciones del artículo

“La teoría de la relatividad nació por necesidad, de las serias y profundas contradicciones que presentaba la vieja teoría y a las que parecía no haber salida. La fuerza de la nueva teoría radica en la lógica y la simplicidad con la que resuelve todas estas dificultades, utilizando solo un pequeño número de conjeturas convincentes. " - Albert Einstein y Leopold Infeld

El artículo en alemán, titulado “ Zur Elektrodynamik bewegter Körper ” , tiene exactamente 31 páginas . Su título se traduce al francés como " De la electrodinámica de los cuerpos en movimiento ", " Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento ", " La electrodinámica de los cuerpos en movimiento " o " Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento ".

El artículo original de Albert Einstein, publicado por primera vez en 1905, fue publicado en 2012 por la Universidad de Augsburg , Alemania, como imágenes en un archivo PDF. Wikilibros en alemán también publica el mismo artículo en forma de imágenes, con colaboradores comentando el artículo, agregando diagramas para que sea más fácil de entender y corrigiendo algunas ecuaciones.

El astrofísico indio Meghnad Saha tradujo al inglés el artículo titulado On the Electrodynamics of Moving Bodies , publicado en 1920 por la Universidad de Calcuta en India. Está transcrito en wikitexto en Wikisource en inglés. El artículo de Saha se transcribió por segunda vez en Wikitext en Wikisource en inglés. Otra traducción al inglés, de W. Perrett y GB Jeffery, fue publicada en 1923 por Methuen and Company, Ltd. en Londres. Ha estado en línea desde enero de 2016 por el físico estadounidense John Walker. Este último hizo varios cambios, todos explicados. Se puede encontrar una traducción al inglés del artículo en un trabajo publicado en 1932. Princeton University Press publica una copia digital del artículo en forma de imágenes.

Una traducción francesa, debida al matemático rumano Maurice Solovine , fue publicada bajo el título " Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento " por Gauthier-Villars en 1925 y 1965, luego reeditada en 1994 por Éditions Jacques Gabay, así como en 2005. Otra La traducción francesa, del astrofísico francés Marc Lachièze-Rey , fue publicada en francés en 2003 por Dunod bajo el título “ Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento ”.

El artículo también ha sido traducido al italiano con el título L'elettrodinamica dei corpi in movimento .

En enero de 1909, el físico Max Abraham publicó un artículo con el mismo título, Zur Elektrodynamik bewegter Körper . Sin embargo, ignora el artículo de Einstein y en su lugar presenta los resultados de Hendrik Lorentz , Heinrich Hertz , Emil Cohn y Hermann Minkowski.

Composición del artículo

“[En una sección anterior], discutimos la flagrante contradicción entre la invariancia de la velocidad de la luz y la ley de Galileo de aditividad de velocidades. En 1905, Albert Einstein propuso una teoría que planteaba esta contradicción, pero que trastocaría por completo nuestras concepciones del espacio y el tiempo. " - Raymond Serway , 1992

André Rouge, en un libro publicado en 2009, analiza el artículo y cita a Wolfgang Pauli en particular :

“Se podría llegar a [la relatividad] por dos caminos. En primer lugar, podríamos buscar, de forma puramente matemática, cuál es el grupo más general de transformaciones bajo cuya acción las ecuaciones, entonces bien conocidas, de la electrodinámica de Maxwell - Lorentz mantienen su forma. Este es el camino seguido por el matemático H. Poincaré . O se podrían examinar críticamente los supuestos físicos que llevaron al grupo particular de mecánicos de Galileo y Newton. Esta última ruta fue tomada por Einstein . "

Para el lector de la XXI ° siglo, en virtud del artículo 'puede sorprender cuando se sabe que se está iniciando una nueva teoría del espacio y el tiempo. En realidad, el tema del artículo encaja en el contexto de la época: ¿qué teoría dinámica adoptar para abarcar todos los fenómenos electromagnéticos y ópticos conocidos? Por tanto, el título se refiere al problema más que a la solución. " Con este título, Einstein expresa su deseo de producir una teoría macroscópica que no se limite a los electrones , mientras que Poincaré, por ejemplo, quiere desarrollar una " teoría microscópica del electrón de Lorentz deformable " .

En la traducción publicada en 1925 por Gauthier-Villars, Maurice Solovine da esteIndice :

" Introducción I) Parte cinemática 1 O ) Definición de la simultaneidad 2 O ) En la relatividad del tiempo y longitudes 3 O ) Teoría de la transformación de coordenadas y del tiempo desde el sistema en reposo a otro en uniforme movimiento de traslación con relación a la primera 4 O ) significado físico de las ecuaciones obtenidas, con respecto a los cuerpos rígidos y los relojes en movimiento 5 o ) Teorema de la suma de velocidades II) Parte electrodinámica 6 o ) Transformaciones de ecuaciones de Maxwell-Hertz en espacio vacío. Sobre la naturaleza de las fuerzas electromotrices que aparecen durante el movimiento en un campo magnético 7 O ) Teoría del efecto Doppler y la aberración 8 o ) Transformación de la energía de los rayos luminosos. Teoría de la presión de radiación ejercida sobre un espejo perfecto 9 o ) Transformaciones de las ecuaciones de Maxwell-Hertz teniendo en cuenta las corrientes de convección 10 o ) dinámica de los electrones (lentamente acelerado) "

Esta división en dos grandes secciones, Parte Cinemática y Parte Electrodinámica , "contrasta" con el enfoque adoptado por los mejores físicos de la época, que no veían interés en mirar la cinemática newtoniana.

Introducción

En la introducción, Einstein no menciona explícitamente el experimento de Michelson y Morley , ni ningún artículo de Poincaré o Lorentz, pero expone algunas fallas en las teorías electromagnéticas contemporáneas. El científico abandona la noción de éter (indica que "no hace uso de un espacio absoluto en reposo" ) y aplica dos postulados: (1) "Todas las leyes de la física deben ser las mismas para todos los observadores que se mueven a una velocidad constante relativa el uno al otro. Como resultado, tendrán la misma forma matemática para todos estos observadores. Esto equivale a reconocer la imposibilidad de detectar un movimiento absolutamente uniforme. (Suponemos que existen marcos de referencia privilegiados, llamados sistemas inerciales , en los que los cuerpos libres no aceleran .) ” Y (2) “ La velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los observadores. “ El investigador implícitamente otros supuestos: (a) el espacio es homogéneo , (b) el espacio es isotrópico y (c) la causalidad siempre se respeta.

Parte cinemática

Luego pasa a la parte cinemática .

En el artículo, Einstein usa la velocidad de la luz, un símbolo ahora reemplazado por . $V$ $vs$

1 O ) Definición de la simultaneidad

Comienza la parte cinemática discutiendo la noción de simultaneidad , mencionando que si fuera posible transmitir información a una velocidad infinita, aún sería posible sincronizar perfectamente dos relojes desde dos marcos de referencia distintos. Sin embargo, no hay forma de transmitir información más rápido que la velocidad de la luz. Aunque sea enorme, siempre habrá un retraso para que una señal luminosa de un repositorio llegue al otro, lo que impide que dos sistemas estén perfectamente sincronizados, es decir, que muestren exactamente la misma hora. Demuestra "que las relaciones entre coordenadas espaciales y temporales son más complejas que las de la física galileana , hasta el punto de que [es] relevante introducir el término espacio-tiempo [...]" Según el físico John Moffat , en “El espacio-tiempo de Einstein, la simultaneidad de dos eventos es un concepto relativo, que depende del movimiento del observador. " Sin embargo, señala el físico Brian Greene , " los introduce un nuevo concepto de teoría absoluta majestuosamente: el espacio-tiempo [... la cual] es tan absoluta en la relatividad especial que el espacio y el tiempo eran de Newton. " Entonces " , en relatividad, no todo es relativo. " En su artículo, Einstein imaginó observadores y un carro . Debido a la invariancia de la velocidad de la luz, “la distancia recorrida durante 1 segundo por [un] pasajero que camina en el tren no es la misma según se mida en el tren o en el andén. "

“Nadie imaginó que el tiempo podría ser diferente para un reloj estacionario y un reloj en movimiento. Einstein lo leyó en las ecuaciones del electromagnetismo: las tomó en serio. [...] Ce ne peut être un hasard si le jeune Einstein, avant d'avoir un poste à l'université, travaillait au Bureau des brevets suisse et s'occupait, entre autres, de brevets pour synchroniser les horloges des gares de ferrocarril ! Probablemente fue aquí donde se le ocurrió la idea de que sincronizar los relojes era, al final, quizás un problema sin solución. " - Carlo Rovelli , 2019 2 O ) En la relatividad del tiempo y longitudes

Einstein reafirma con más detalle el principio de relatividad ya expresado por Galileo 300 años antes, pero generalizándolo a toda la física. Il fait de même pour la vitesse de la lumière : « Chaque rayon lumineux se déplace dans un système de coordonnées « stationnaire » à la même vitesse c, la vitesse étant indépendante de la condition que ce rayon lumineux soit émis par un corps au repos ou en movimiento. " El término" marco inercial "es el término que la física moderna prefiere al término" sistema de coordenadas "estacionario" "utilizado por Einstein.

En esta misma sección, “Einstein luego explica rigurosamente el principio de la invariancia de la velocidad de la luz (en el vacío)” . Indica que es constante, independientemente del marco de referencia inercial, mientras que sus predecesores indicaron que la velocidad de la luz no depende de la velocidad de la fuente (en otras palabras, Einstein sostiene que cualquier observador, independientemente de su velocidad, siempre mida una sola velocidad para la luz). Esta invariancia de la velocidad de la luz (en el vacío) puede además derivarse de principios más generales de invariancia (en particular, la isotropía del espacio interestelar).

Es en esta sección donde explica cómo medir cualitativamente una varilla rígida, ya sea en reposo en un marco de referencia o en movimiento con respecto a este marco de referencia. Si el observador es comobile con el marco de referencia, siempre mide la misma longitud de varilla cuando está en reposo en este marco de referencia. Usando ambos postulados, Einstein predijo que la longitud de una barra en movimiento es más corta para un observador que no se mueve a la misma velocidad que la barra debido a un efecto de perspectiva. A diferencia de Poincaré y Lorentz, Einstein no afirma que la barra en movimiento relativo sufre una "compresión física" debido a una fuerza que el éter luminífero ejerce sobre ella (de ahí el uso del término "longitudes de contracción" preferido por Einstein). Si los instrumentos de medición son comobile en la barra, Poincaré y Lorentz argumentan que están comprimidos de la misma manera, mientras que en el paradigma relativista, no sufren ninguna compresión.

Para simplificar la comprensión de los conceptos expuestos en el artículo de Einstein, los físicos Edwin F. Taylor y John Wheeler imaginaron un laboratorio montado en un cohete (LSF) y un laboratorio en reposo (LAR). El LSF tiene una varilla rígida con un transmisor montado en un extremo y un reflector en el otro. El emisor y el reflector también están alineados en el LSF para que la luz viaje paralela a la varilla (que se puede comparar con un eje horizontal o el eje x). Además, un reloj está ubicado muy cerca del transmisor y el reflector. El LAR tiene una varilla rígida y relojes ubicados en los extremos de la varilla. Cuando los dos laboratorios están paralelos y en reposo, la longitud de cada barra rígida es la misma. Por convención, las variables LSF son "premiadas". Por ejemplo, la longitud de la varilla del LAR se indica como "L". Para el LSF, es más bien "L '" (que se pronuncia "L prime"). De acuerdo con la misma convención, las coordenadas en el LSF se denotan (t ', x', y ', z') - una coordenada de tiempo y las otras tres para ubicar físicamente un objeto en un espacio tridimensional - y las coordenadas de un objeto en el LAR se denota (t, x, y, z).

Suponga que los dos relojes de la LSF están sincronizados, es decir, indican la misma hora. Si el emisor envía una señal de luz al reflector, regresará a la fuente. Identifiquemos tres eventos durante este viaje: (1) emisión, (2) reflexión y (3) detección. Dado que la velocidad de la luz es constante (nombremos esta velocidad ), la relación es verdadera (vea el diagrama de la derecha). Para simplificar los cálculos, establezcamos . Sabiendo eso o , con la velocidad, la distancia y el tiempo, podemos calcular dónde está la distancia entre el emisor y el reflector. También tenemos . Cuando la luz incide en el detector, se mostrará su reloj y, simultáneamente , lo indicará el reloj reflector . $vs$ ${\ Displaystyle t_ {2} ^ {'} - t_ {1} ^ {'} = t_ {3} ^ {'} - t_ {2} ^ {'}}$ ${\ Displaystyle t_ {1} ^ {'} = 0}$ ${\ Displaystyle v = {\ frac {d} {t}}}$ ${\ Displaystyle t = {\ frac {d} {v}}}$ $v$ $D$ $t$ ${\ Displaystyle t_ {2} ^ {'} = {\ frac {L ^ {'}} {c}}}$ ${\ Displaystyle L ^ {'}}$ ${\ Displaystyle t_ {3} ^ {'} = {\ frac {2L ^ {'}} {c}} = 2t_ {2} ^ {'}}$ ${\ Displaystyle {\ frac {2L ^ {'}} {c}}}$ ${\ Displaystyle {\ frac {2L ^ {'}} {c}}}$

3 O ) Teoría de la transformación de coordenadas y tiempo. 4 O ) significado físico de las ecuaciones obtenidas ...

Como George FitzGerald y Hendrik Lorentz , predice que un palo o regla se contraerá en la dirección de su movimiento. Además, Einstein afirma que los relojes se ralentizan a medida que se mueven. Si se mueven a diferentes velocidades, su propio tiempo pasa de manera diferente. Supongamos que dos experimentadores tienen cada uno un reloj idéntico. Si se mueven a una velocidad diferente, en movimiento relativo en la jerga de la física, no pueden ponerse de acuerdo sobre cuándo ha ocurrido un evento específico . “Las propiedades del espacio y el tiempo dependen, por tanto, de las propiedades de los relojes y las reglas. " Gracias a su teoría, Einstein " deriva independientemente la ley de transformación con la que las ecuaciones del campo electromagnético de Maxwell permanecen invariables al pasar de un marco de referencia inercial a otro. " John Moffat continúa: " Estas transformaciones de un marco de referencia inercial que se mueve uniformemente hacia otro son la base de las ecuaciones matemáticas que forman la relatividad especial. Tan pronto como Einstein postula estas transformaciones así como la naturaleza absoluta y constante de la velocidad de la luz, todas las consecuencias sobre la física del espacio-tiempo en la relatividad especial le aparecen en un orden lógico. Más particularmente, entonces se vuelve capaz de derivar la generalización de la mecánica newtoniana y las ecuaciones correctas para el movimiento de partículas materiales ” .

Es en este apartado donde aparece por primera vez lo que se llamará la “ paradoja de los gemelos ” , pero Einstein en cambio utiliza relojes, perfectamente sincronizados al comienzo del experimento mental, para comparar la dilatación del tiempo que experimenta un cuerpo que se mueve más rápido que otro. Sin embargo, ni Einstein ni el físico Paul Langevin vieron una paradoja en el retraso de un reloj que se mueve a una cierta velocidad en comparación con uno más lento. Tras la publicación del artículo, el matemático Hermann Minkowski introduce un formalismo matemático que permite explicar "naturalmente" la supuesta paradoja: si dos objetos se mueven en el espacio-tiempo a diferente velocidad, sus "longitudes" temporales no lo son. más idéntico; por tanto, están dotados de su propio tiempo.

5 o ) Teorema de la suma de velocidades

Parte electrodinámica

En el artículo, el físico pasa a la parte electrodinámica .

6 o ) Transformaciones de ecuaciones de Maxwell-Hertz en espacio vacío ...

Michael Faraday (1791-1867) demostró que un imán que se mueve cerca de un cable conductor induce una corriente eléctrica en este último. Según la teoría moderna, el imán es el asiento de un campo magnético ; si el campo varía cerca del cable (por ejemplo, al mover el imán), induce una corriente. Además, aparece una corriente en el cable si este último se mueve cerca de un imán estacionario. En el contexto de la física newtoniana, estos dos fenómenos se explican mediante dos enfoques diferentes. Einstein, basándose en sus postulados, demuestra que estos dos enfoques de la inducción electromagnética son equivalentes, ya que estos fenómenos son observados por dos personas que se mueven una con respecto a la otra.

7 O ) Teoría del efecto Doppler y la aberración 8 o ) Transformación de la energía de los rayos de luz ... 9 o ) Transformaciones de ecuaciones de Maxwell-Hertz ... 10 o ) Dinámica del electrón (acelerado lentamente) Conclusión

Al final del artículo, agradece a su amigo Michele Besso por su "leal ayuda" y sus "muchas y valiosas sugerencias" . El artículo no contiene bibliografía.

Einstein menciona solo a cinco científicos en el artículo, a saber, Isaac Newton , James Clerk Maxwell , Heinrich Hertz , Christian Doppler y Hendrik Lorentz . No tiene en cuenta la gravitación; se introducirá en la relatividad general , teoría que el físico desarrolló entre 1907 y 1915 en colaboración con los matemáticos Marcel Grossmann , Tullio Levi-Civita y David Hilbert .

Analiza

“La mecánica de Newton conlleva, por tanto, una contradicción: se refiere al tiempo y al espacio absolutos, idénticos en todos los sistemas, pero se muestra incapaz de definir posiciones absolutas. Esta dificultad le pareció a Leibniz, pero sus observaciones [...] habían sido olvidadas hacía mucho tiempo ... Paradójicamente, la teoría ondulatoria de Fresnel había dado a la mecánica la esperanza de encontrar su referencia absoluta: el éter ... " - Bernard Maitte , 1981

Según el astrofísico Kip Thorne :

“Los nuevos cimientos puestos por Einstein consistieron en dos principios fundamentales:

Le principe du caractère absolu de la vitesse de la lumière : quelle que soit leur nature, l'espace et le temps doivent être constitués de manière à rendre la vitesse de la lumière identique dans toutes les directions et absolument indépendante du mouvement de la personne qui la medida.

Este principio es una afirmación rotunda de que el experimento de Michelson y Morley fue correcto [...]

El principio de relatividad : cualquiera que sea su naturaleza, las leyes de la física deben tratar todos los estados de movimiento en pie de igualdad.

Este principio es un rotundo rechazo del espacio absoluto: si las leyes de la física no trataran todos los estados de movimiento [...] por igual, los físicos podrían elegir un estado de movimiento "preferido" [...] y definirlo como un estado de "reposo absoluto". El espacio absoluto, expulsado por la puerta, habría entrado por la ventana. "

Según el físico Bernard Maitte , "la electrodinámica adolece [...] de las mismas fallas que la mecánica : quiere ser absoluta sin poder serlo [...] Einstein da el paso [...] que no podemos poner en evidencia descanso absoluto? Debe afirmarse como principio que es imposible definirlo. - es el principio de relatividad . ¿No podemos destacar ninguna diferencia en el valor de la velocidad de la luz ? La invariancia de esta velocidad debe establecerse como principio. [...] ¿El éter no se puede evidenciar? Debe ser rechazado. [...] Esta triple actitud permite a Einstein cuestionarse sobre el concepto de simultaneidad y deducir que el tiempo y las longitudes no son absolutos sino relativos al sistema de coordenadas: frente a un marco de referencia, las longitudes y las longitudes .cuando otro sistema se contrae en la dirección del movimiento, se expanden en la dirección opuesta al movimiento. [...] Einstein integra las transformaciones de Lorentz en un marco teórico que las explica y generaliza [...] » Aún según Maitte, esta teoría de Einstein elimina las contradicciones de la teoría de Maxwell, no hay más razón tratar los circuitos y los imanes de manera diferente, independientemente de si están en reposo o en movimiento. El físico Michel Paty saca las mismas conclusiones.

Los físicos estadounidenses John Wheeler y Edwin F. Taylor aclaran un aspecto de la teoría:

“[El principio de relatividad] no indica que la duración entre los eventos A y B sea la misma cuando se miden desde dos marcos de referencia inerciales separados. Tampoco la distancia espacial entre los dos eventos es la misma en dos marcos de referencia. Ni los tiempos ni las distancias suelen ser iguales en dos marcos de referencia ... el momento de una partícula en un marco de referencia es diferente del valor observado en un segundo marco de referencia. Incluso la tasa de cambio temporal en el impulso suele ser diferente de un punto de referencia a otro. Lo mismo para la misma fuerza [...] Sin embargo, ¡la física que parece tan diferente de un marco de referencia a otro es sin embargo la misma en los dos marcos de referencia! Las cantidades físicas difieren en valor entre dos marcos de referencia pero obedecen las mismas leyes . "

Según André Rouge, “incluso si la construcción de la cinemática solo utiliza el principio de relatividad y la constancia de la velocidad de la luz, las bases de su teoría incluyen las ecuaciones de Maxwell-Hertz. Están en esto muy cerca de los de Poincaré [...] y las ecuaciones de Maxwell-Lorentz. " Germain Rousseaux escribe que, gracias a " un análisis cinemático de los conceptos de tiempo y espacio, [Einstein] deducido las transformaciones de Lorentz Poincaré-y las ha aplicado a la serie completa de las ecuaciones de Maxwell . La covarianza de estas últimas ecuaciones le permitió deducir las correspondientes transformaciones del campo electromagnético para eliminar la asimetría de la ley de inducción [...] " Según el físico Théo Kahan , es

"Lo que trajo Einstein en 1905, que fue radicalmente nuevo, fue haber comprendido claramente que, por un lado, la invariancia relativista trascendía sus relaciones con la electrodinámica de Maxwell de los cuerpos en reposo y con el electromagnetismo de los cuerpos en movimiento de Hertz y Lorentz, y así se impuso, como condición universal y preliminar, para cualquier teoría física, presente y futura; y que, por otro lado, la nueva mecánica así inaugurada tocaba la naturaleza profunda del espacio y el tiempo, en total ruptura con los conceptos de Newton sobre el espacio y el tiempo absoluto. "

La relatividad de Einstein, extendiendo la relatividad galileana, se aplica a todos los fenómenos naturales, incluidos los de la electrodinámica , la óptica y la termodinámica .

Reseñas

Una gran parte de los círculos científicos ha rechazado, durante más o menos tiempo, la nueva teoría. " El gran físico Paul Langevin es un " poco común francés "del cambio de siglo que defiende la relatividad de Einstein. “Sin embargo, varias reservas han sido eliminadas gradualmente por varias confirmaciones experimentales. " " La relación entre el impulso y la velocidad [es] una de las primeras predicciones relativistas confirmadas experimentalmente. » En 1908, experimentos más precisos hicieron creer que el éter existe. Einstein, cuando se entera de estos rumores, no se conmueve demasiado y declara: “Nuestro Señor es sutil, pero no es cruel. “ Algún tiempo después, los experimentos prueban fallas, lo que marcó el final del éter. Según Robert Resnick en 1968, “el éxito de su teoría solo puede evaluarse mediante la experiencia. No solo explicó todos los resultados experimentales, sino que predijo nuevos efectos, confirmados por experimentos posteriores. Todavía no se ha planteado ninguna objeción experimental contra la teoría especial de la relatividad de Einstein. El experimento de Hafele-Keating , realizado en 1972, es una "evidencia experimental directa" de la dilatación del tiempo . “Según las predicciones de la relatividad, los muones en movimiento viven unas 30 veces más que los muones estacionarios. " Según Brian Greene en 2005, " miles de experimentos llevados a cabo con cuidado durante los últimos cien años [...] han medido la velocidad de la luz con fuentes y observadores en movimiento y [...] todos han confirmado estas observaciones con precisión " , es decir, que la luz viaja a velocidad constante.

El físico Jean Hladik , en su Introducción a la relatividad general , indica que los físicos criticaron a Einstein por confiar únicamente en las propiedades de los fenómenos electromagnéticos para introducir la relatividad especial . Hladik sostiene que esta teoría podría haber sido desarrollada presentando cinco postulados: (A) el principio de relatividad, (B) el espacio es homogéneo , (C) el espacio es isotrópico , (D) el tiempo es homogéneo ( "el tiempo [apropiado] es idéntico en todos los puntos del mismo marco de referencia " ) y (E) el principio de causalidad . Estos cinco postulados no se refieren a ningún fenómeno físico en particular (en este contexto, la velocidad de la luz en el vacío ya no es un postulado).

Según Jean Rosmorduc , con motivo del centenario de Einstein en 1979, “algunos colegas han afirmado que esta teoría fue el resultado de una brillante intuición de Einstein, y no pretendía resolver algunas de las contradicciones encontradas por la física clásica. Que el erudito alemán fue brillante, nadie lo negará. [Que] sólo una mente original e inconformista puede emitir ideas que van en contra de las convicciones más firmemente establecidas de los físicos hasta tal punto, es muy posible. Pero [el artículo] que establece los principios de la Relatividad Especial se basa en el trabajo de Maxwell y Hertz, utiliza transformaciones de Lorentz. " En 1975, el físico Banesh Hoffmann escribió: " Nada podría revelar de una manera más llamativa la audacia revolucionaria de las ideas de Einstein en comparación con las de sus predecesores de Lorentz y Poincaré. Los tres poseían la transformación de Lorentz , cuyas asombrosas consecuencias habían quedado implícitas. Pero, a la hora de interpretarlo, ni Lorentz ni Poincaré se habían atrevido a depositar plena confianza en el principio de relatividad . " Todos los aspectos de la teoría de la relatividad, fruto de una reflexión de diez años, están" completamente detallados en su artículo de 1905 que, por acuerdo casi universal, convierte a Einstein en su verdadero creador ".

Suites

"[ Peter Spagnou ] recuerda la importancia del postulado de Einstein, que la luz viaja a una velocidad constante independientemente de la referencia inercial considerada [...] - que es más fuerte que la mera independencia con respecto a la velocidad de la fuente (esto puede explicarse por la naturaleza ondulada de la luz). [Il] insiste aussi sur l'importance de bien distinguer les deux phénomènes inférés de façon inédite [par Einstein] : la dilatation des durées impropres d'une part, et la multiplicité des temps propres d'autre part (ce qui est plus rarement relevo). "

Tres años después de la publicación del artículo, Einstein escribe al físico alemán Arnold Sommerfeld que no cree que su teoría explique completamente la mecánica relativista de los electrones. Además, escribe: “La teoría de la relatividad no es más definitiva y absolutamente satisfactoria de lo que era, por ejemplo, la termodinámica clásica, antes de que Boltzmann interpretara la entropía como probabilidad. " De acuerdo con Karl Popper , Einstein considera " su teoría de la relatividad como insatisfactorio (por muchas razones, especialmente porque sólo fue reemplazado por espacio absoluto absolutos todos los sistemas intertiels). "

En noviembre de 1943, en un esfuerzo por apoyar el esfuerzo bélico estadounidense durante la Segunda Guerra Mundial , Einstein decidió vender la copia manuscrita de su artículo de 1905. Sin embargo, no se quedó con el documento original. Bajo el dictado de su secretaria Helen Dukas, reescribe el artículo tal como apareció en Annalen der Physik . En un momento, exclama en un pasaje: "¿He dicho eso?" " Después de la confirmación, agregó: " Podría decir mucho más simple. " La transición nunca fue identificada. En febrero de 1944, el manuscrito se vendió por seis millones de dólares estadounidenses en una subasta.

Notas y referencias

Cotizaciones originales

(in) “ Lo que me llevó más o menos directamente a la teoría especial de la relatividad fue la convicción de que la fuerza electromotriz es un cuerpo actuando en movimiento en un campo magnético objetivo No era nada más un campo eléctrico. "
(in) " Las propiedades del espacio y el tiempo ASÍ dependen de las propiedades de los relojes y las reglas. "
(in) " Observe lo que no dice el principio de relatividad . No dice que el tiempo entre los eventos A y B parecerá el mismo cuando se mida desde dos marcos de referencia inerciales diferentes. Tampoco dice que la separación espacial entre dos eventos será la misma en dos cuadros. Por lo general, ni los tiempos ni las distancias serán iguales en los dos cuadros, [...] el momento de una partícula tendrá un valor en un cuadro que sea diferente de su valor en un segundo cuadro. Incluso la tasa de cambio en el tiempo del impulso normalmente diferirá entre los dos marcos. Y también lo hará la fuerza [...] ¡La física que es tan diferente entre un cuadro y el otro no es la misma en los dos cuadros! Las cantidades físicas difieren en valor entre los dos marcos pero cumplen leyes idénticas . "
(in) " La teoría del éxito del hijo sólo se puede juzgar por comparación con el experimento. No solo pudo explicar todos los resultados experimentales existentes, sino que predijo nuevos efectos que fueron confirmados por experimentos posteriores. Aún no se ha encontrado ninguna objeción experimental a la teoría especial de la relatividad de Einstein. "
(en) " todo explicado En su artículo de 1905, qui Acuerdo casi universal de Einstein identificado como el verdadero creador de la teoría de la relatividad "

Notas

Einstein, "impresionado" por el poder de las leyes de la termodinámica que afirman la imposibilidad de las máquinas de movimiento perpetuo , busca un "postulado de imposibilidad" sobre el movimiento. Específicamente, intenta demostrar que no existe ningún tipo de experiencia que pueda demostrar un descanso absoluto y un movimiento uniforme.
La palabra "Gotha" significa una élite, ya sea intelectual o noble, por ejemplo.
- Esta es la pregunta que informa el físico Brian Greene .
- El físico John Moffat informa una pregunta similar.
- Más bien, el físico Raymond Serway escribe que la pregunta de Einstein fue: "¿Qué vería en un espejo si lo sostuviera en mis manos mientras corría a la velocidad de la luz?" "
- El físico Leonard Susskind indica que Einstein supuestamente recordó haber imaginado abordar un tren que corría a la velocidad de la luz, viendo una onda de luz moviéndose con él en la misma dirección.
- En cuanto al periodista científico Emmanuel Monnier, escribe: “¿Podemos correr tras un rayo de luz y alcanzarlo? "
- El físico y filósofo de la ciencia Étienne Klein informa en cambio: “¿Qué vería si me montara a horcajadas sobre un rayo de luz? "
Einstein la llamó "teoría de la relatividad" en 1911. Se agregará el calificativo "especial" o "especial" para distinguirla de la relatividad general .

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Apéndices

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enlaces externos

Electrodinámica de cuerpos en movimiento en el sitio Les Classiques des sciences sociales (traducción basada en un artículo en inglés publicado en 1920)
Electrodinámica de cuerpos en movimiento , comentada en el sitio BibNum (ver la pestaña Análisis )