Stiinta&Tehnologie

Calatoria în trecut sau în viitor considerata mult timp o tema de science fiction, este acum un subiect de serioase cercetari. Calatoria în timp a fost facuta ,teoretic posibila odata cu teoria relativitatii a lui Einstein.Aceasta se bazeaza pe faptul ca spatiul si timpul nu sunt doua entitati distincte ci se unesc pentru a forma o a patra dimensiune :spatiu-timp.În aceasta dimensiune orice corp calatoreste cu o viteza constanta, viteza lumini.



Daca un corp nu calatoreste în spatiu, atunci toata viteza sa (viteza luminii) este folosita pentru a calatorii prin timp. Astfel, un corp în repaus "înbatrâneste " cu viteza luminii.

Dar, daca acest corp calatoreste si în spatiu, atunci viteza sa se va descompune pe cele doua axe, viteza de trecere a timpului, fiind redusa.



Iar daca un corp se deplaseaza prin spatiu cu viteza luminii atunci viteza pe axa timpului acelui corp va fi 0.





Cilindri masivi rotitori

Prima masina teoretica ar consta într-un corp extrem de dens ce se roteste extrem de repede. Puternica atractie gravitationala ar "târî " spatiul si timpul în jurul sau în timp ce se roteste.Acest obiect va distorsiona geometria spatiului si trecerea timpului în jurul sau.O nava spatiala ar putea sa treaca prin apropierea acestui corp pe o traiectorie aparent normala pentru echipaj si pentru aparatele de la bord dar ar iesi de partea cealalta în alt timp si, eventual în alt spatiu.

Obiectul necesar acestui efect ar fi echivalentul a 10 stele neutron, fiecare având aceiasi masa ca Soarele într-un volum nu mai mare decât al muntelui Everest, unit de la pol la pol de un cilindru si rotindu-se de doua mii de ori pe secunda. Nu se cunoaste nici un astfel de obiect dar nu este clar nici daca ar putea sa existe ,gravitatia strivindu-l pâna ar lua forma unei sfere si apoi s-ar transforama într-o gaura neagra. Dar pulsarii milisecondici, care sunt stele neutron ce se rotesc de sapte sute de ori pe secunda ajung intrigant de aproape de conditiile necesare.

Acest corp ar putea functiona ca o masia a timpului datorita conceptiei lui Einstein, care spre deosebire de Newton nu considera ca planetele sau alte corpuri interactioneaza între ele prin forte gravitationale, pentru ca în conformitate cu legile lui Newton aceste interactiuni s-ar produce instantaneu ,dar nici o forma de radiatie sau influenta nu se propaga cu o viteza mai mare decât cea a luminii. Astfel Einstein, a afirmat ca aceste corpuri nu interactionaza ,ele miscându-se liber,traiectoriile lor fiind determinate de curburile, modificarile în spatiu-timp cauzate de materia existenta.

Astfel, un asemenea corp ar putea genera o forta asa de mare încât sa modifice în mod radical geometria spatiului din jurul sau si, în acelasi timp si timpul. Un eveniment similar se întâlneste în apropierea gaurilor negre, corpuri cu o gravitatie extrem de mare si în apropierea carora timpul se dilata, ajungând chiar sa se opreasca.



Gaurile de vierme

A doua abordare a calatoriei în timp impica gaurile negre. Ecuatia relativitatii sugereaza ca o pereche de gauri negre ar putea fi "legate" între ele de tuneluri ce fac o scurtatura prin timp si spatiu. Aceste tuneluri se numesc "gauri de vierme". Cele doua gauri negre (gurile tunelului) pot fi oriunde în timp si spatiu si sa fie oricum conectate prin tuneluri. Astfel o gura poate fi în prezent iar cealalta este în acelasi loc acum o mie de ani. De acea un obiect ar putea intra în prezent si ar putea iesii acum o mie de ani.

O problema (în afara de faptul ca e greu de fabricat sau de gasit gauri de vierme) este faptul ca gravitatia are tendinta sa "închida" aceste gauri de vierme (ca si gura unui tunel ce colapseaza). Ar fi totusi posibil sa se mentina gaura deschisa introducând în ea materie din exterior, materie ce se presupune ca ar exista dar nu a fost înca descoperita (materie neagra). Gaurile negre exista cu certitudine ,variind de la obiecte în galaxia noastra (Calea Lactee) cu mase doar de câteva ori mai mari ca a Soarelui pâna la obiecte cu mase de milionane de ori mai mari decât a Soarelui în centrele galaxiilor si în quasare.

Chiar daca aceste speculatii nu furnizeaza metode practice de construire a masinilor timpului, fizicienii continua studiul lor deoarece exista posibilitatea ca tot universul sa fie brazdat de gauri de vierme microscopice cu "gurile " mai mici ca un proton. Astfel de gauri de vierme ar putea explica de ce legile fizicii sunt aceleasi oriunde în univers, de ce, de exemplu ,un electron pe Pamânt are aceiasi sarcina si masa ca unul aflat într-o galaxie îndepartata. S-au facut serioase speculatii cum ca prin aceste mici gauri de vierme se "scurge" informatie ce mentine legile fizicii constante dintr-un punct în altul si dintr-un timp în altul.



Materia neagra



Materia neagra este o materie nelumioasa ce nu poate detectata prin observarea a nici unei forme de radiatie electromagnetica, dar a carei existenta ,distribuita dealungul universului este sugerata de câteva consideratii teoretice.

Trei teorii ar sugera existenta materiei negre. Galaxiile din apropierea Caii Lactee par sa se roteasca mai repede decât ar fi de asteptat considerând cantitatea de materie vizibila din aceste galaxii. Multi astronomi cred ca 90% din materia unei galaxii obisnuite este invizibila.

A doua consideratie teoretica este existenta roiurilor de galaxii. Multe galaxii sunt grupate în astfel de roiuri. Astronomii afirma ca daca se accepta niste conceptii rezonabile (ca aceste roiuri sunt "legate" între ele prin gravitatie si ca aceste roiuri s-au format acum câteva miliarde de ani în urma) ,atunci rezulta ca aproximativ 90% din masa acestora este materie neagra datorita faptului ca ,în mod contrar, aceste roiuri nu ar avea destula masa pentru a le tine apropiate si aceste galaxii s-ar fi îndepartat pâna acum.

Al treilea considerent, si cel mai controversat, sustine existenta materiei negre pe baza modelului expansiunii universale. Conform acestei idei ,universul a trecut printr-o perioada de expansiune extrem de rapida într-un timp extrem de scurt. Daca modelul Big Bang-ului este corect, constanta expansiunii universale ( ) ar trebuii sa aiba valoarea apropiata de 1, însemnând ca masa totala a universului ar trebui sa fie de aproximativ 100 de ori mai mare ca cea vizibila.

Exista mai multi "candidati" pentru materia neagra. Acestia includ pitici negrii, nedetectati (obiecte, semanând cu stele dar ce sunt mult mai slabe din punct de vedere luminos decât stelele si pe care nu au loc reactii nucleare), gaurile negre ,si particule subatomice a caror proprietati exclud detectarea lor dupa radiatii electromagnetice.

Lumina (şi toate celelalte forme de radiaţie electromagnetică) călătoresc în vid cu o viteză de circa 300.000 km/s, iar în aer ceva mai încet. Viteza luminii în vid reprezintă o constantă universală, notată cu c , şi, conform teoriei relativităţii, nimic nu poate fi mai rapid. Într-o secundă o rază de lumină ar putea înconjura de peste 7 ori Pământul pe la Ecuator, pe când călătoria ei de la Soare la Pământ, pe o distanţă de circa 150.000.000 km, durează cam 8 minute.
Viteza luminii în vid este la ora actuală determinată precis la valoarea de 299.792.458 m s-1 . Această valoare este folosită la aflarea unor distanţe lungi prin măsurarea timpului necesar unui puls de lumină să ajungă într-un loc şi să se întoarcă. Reprezintă de asemenea baza anului lumină (distanţa parcursă de lumină într-un an), o unitate folosită la măsurarea unor distanţe astronomice foarte mari. La o scară mai redusă, valoarea vitezei luminii permite o determinare foarte precisă a distanţelor iar metrul este definit la ora actuală ca lungimea drumului parcurs de lumină într-o fracţiune de 1/299.792.458 dintr-o secundă.
Importanţa progresului ştiinţific
Încercările de măsurare a vitezei luminii au avut un rol important în stabilirea unor teorii ştiinţifice din trei motive.
Sfârşitul Teoriei Corpusculare
Viteza luminii în aer şi apă a fost pentru prima dată măsurată la mijlocul secolului XIX de către fizicienii francezi Jean Foucault şi Armand Fizeau. Acest lucru a dus la o respingere a teoriei corpusculare a luminii propusă de Isaac Newton. Newton sugerase că un corp luminos emite un curent de particule care călătoresc în linie dreaptă prin eter (un mediu despre care se credea la acea vreme că ocupă întregul spaţiu). Dar faptul că lumina se deplasa mai încet în apă nu putea fi explicat decât prin teoria ondulatorie a luminii şi nu prin cea stabilită de Newton.
Originea electromagnetică a luminii
La mijlocul secolului XIX James Clerk Maxwell a demonstrat teoretic ca undele electromagnetice călătoresc cu o viteză egală cu cea a luminii, ceea ce l-a condus la concluzia că lumina este o parte a spectrului electromagnetic.
Rolul în relativitate
De mare importanţă este poate rolul vitezei luminii în teoria relativităţii a lui Albert Einstein. Aceasta stabileşte viteza luminii în vid ca cea mai mare viteză posibilă în natură şi spune că viteza luminii faţă de observatori diferiţi este aceeaşi. Viteza luminii, c, este o constantă absolută - constanta universală în ecuaţia stabilită de Einstein, E=mc2, care stabileşte că masa şi energia sunt echivalente.
Paradoxul constanţei vitezei luminii a creat o mare problemă pentru fizică, problemă pe care fizicianul american de origine germană, Albert Einstein, a rezolvat-o în cele din urmă în 1905. Einstein sugera că teoriile fizice nu ar trebui să depindă de starea de mişcare a observatorului. În schimb el spunea că viteza luminii trebuia să rămână constantă, şi restul fizicii trebuia să se schimbe pentru a respecta acest lucru. Această teorie specială a relativităţii a prezis multe consecinţe fizice neaşteptate, dintre care toate au fost de atunci observate în natură.

Măsurarea vitezei luminii
Au existat numeroase încercări de măsurare a vitezei luminii.
Metoda lui Galileo
În secolul XVI astronomul italian Galileo Galilei a realizat probabil prima încercare de măsurare a vitezei luminii. Experienţa lui Galilei consta în următoarele: doi observatori, aşezaţi la o distanţă mare unul de celălalt, au fiecare câte un felinar care poate fi obturat. Observatorul A deschide felinarul; după un anumit interval de timp lumina ajunge până la observatorul B, care în acelaşi moment deschide felinarul său; după câtăva vreme acest semnal ajunge până în A, care poate în felul acesta să măsoare timpul τ care s-a scurs din momentul trimiterii semnalului până în momentul întoarcerii sale. Admiţând că observatorul reacţionează la semnal instantaneu şi că lumina are aceeaşi viteză de propagare după direcţiile AB şi BA, obţinem că drumul AB+BA=2D e străbătut de lumină în timpul τ, adică c=2D/ τ. Cea de-a doua ipoteză făcută poate fi considerată foarte verosimilă. Teoria modernă a relativităţii o ridică chiar la rangul de principiu. Ipoteza legată de posibilitatea reacţionării instantanee la semnal nu corespunde însă realităţii şi de aceea, dată fiind viteza uriaşă de propagare a luminii, încercarea lui Galilei nu a dus la nici un fel de rezultat; de fapt nu s-a măsurat timpul de propagare a semnalului luminos, ci timpul cheltuit de observator pentru a putea reacţiona. Situaţia poate fi îmbunătăţită dacă observatorul B se înlocuieşte printr-o oglindă care reflectă lumina, înlăturându-se astfel erorile introduse de unul din observatori. Acest principiu de măsurare a rămas la baza aproape a tuturor metodelor moderne de laborator utilizate pentru determinarea vitezei luminii; ulterior însă, au fost găsite metode excepţionale pentru înregistrarea semnalelor şi măsurarea intervalelor de timp, ceea ce a permis determinarea vitezei luminii cu o precizie suficientă, chiar în cazul unor distanţe relativ mici.
Metoda lui Römer
Primele măsurători reuşite ale vitezei luminii au fost de natură astronomică. În 1676 astronomul danez Ole (sau Olaus) Christensen Römer (1644-1710) a observat o întârziere a eclipsei unei luni a lui Jupiter când aceasta era văzută de pe partea îndepărtată a orbitei pământului în comparaţie cu observarea ei de pe partea apropiată. Presupunând că întârzierea reprezenta timpul în care lumina parcurgea orbita pământului şi cunoscând cu aproximaţie dimensiunea orbitei din unele observaţii precedente, el a făcut raportul distanţă-timp pentru a estima viteza şi a ajunge la rezultatul de 286.000 km×s-1, cu o eroare de circa 5% din valoarea cunoscută în zilele noastre.
Fizicianul englez James Bradley a realizat o măsurătoare mai bună în anul 1729. Bradley a descoperit că era nevoie să modifice permanent înclinaţia telescopului său pentru a putea capta lumina stelelor pe măsură ce pământul se rotea în jurul soarelui. A ajuns astfel la concluzia că mişcarea pământului deplasa telescopul în lateral faţă de lumina care cobora asupra acestuia. Unghiul de înclinaţie, numit aberaţie stelară, este aproximativ egal cu raportul dintre viteza orbitală a pământului şi viteza luminii. (Aceasta reprezintă şi una dintre metodele prin care oamenii de ştiinţă au aflat că pământul se mişcă în jurul soarelui şi nu vice versa.)
Metoda lui Fizeau
Omul de ştiinţă francez Armand Fizeau a măsurat o viteză a luminii de 3,13 × 108 m s-1. În 1842 el a realizat primele măsurători în condiţii de laborator. Caracteristica metodei sale constă în înregistrarea automată a momentelor emisiei şi întoarcerii semnalului, realizată cu ajutorul unei întreruperi regulate a fluxului luminos (folosirea unei roţi dinţate). Lumina provenită din S se propagă printre dinţii unei roţi W pusă în mişcare, spre oglinda M, şi reflectându-se, trebuie să treacă din nou printre aceştia, înspre observator. Pentru comoditate, ocularul E, care serveşte pentru observaţie, se aşază în faţa lui a, iar lumina provenită din S se trimite spre W cu ajutorul unei oglinzi semitransparente N. Dacă roata se învârteşte, şi anume, cu o astfel de viteză unghiulară încât în timpul de propagare a luminii de la a la M şi înapoi în dreptul dinţilor vor fi spaţii goale şi invers, atunci lumina reflectată nu va pătrunde până la ocular şi observatorul nu o va vedea (prima încercare). Dacă viteza unghiulară va creşte, atunci lumina va trece parţial înspre observator. În cazul unei viteze duble vom avea un maxim de lumină, în cazul unei viteze triple, o a doua întunecare. Cunoscând distanţa aM=D, numărul dinţilor z, viteza de rotaţie (numărul de ture pe secundă ν), putem calcula viteza luminii. Condiţia primei întunecări: lumina, care a trecut prin spaţiul gol dintre doi dinţi, la întoarcere întâlneşte dintele cel mai apropiat. Pentru aceasta e necesar ca în decursul timpului t=2D/c roata să se rotească cu un unghi 2π/2z, adică unghiul care separă centrul intervalului dintre doi dinţi vecini de centrul primului dinte. Dacă observarea primei încercări are loc pentru un număr ν de ture pe secundă, atunci condiţia de mai sus se va exprima cu ajutorul relaţiei: 2D/c=1/2zν, sau c=4Dzν. O a doua încercare va avea loc în cazul unei viteze unghiulare triple, adică atunci când lumina reflectată va fi oprită de dintele următor etc.
Fizicianul francez Jean-Bernard Foucault a utilizat o versiune îmbunătăţită a acestui dispozitiv pentru a determina viteza luminii cu o eroare de până la 1% din valoarea folosită la ora actuală.
Metoda lui Michelson
Experimentul din 1882 al lui Albert Michelson este probabil cea mai cunoscută metodă de măsurare a vitezei luminii, reprezentând de fapt o îmbunătăţire a metodelor folosite de Fizeau şi Foucault. În acest experiment (reprezantat în diagramă) Michelson a folosit un aparat alcătuit dintr-o prismă care se putea roti, o lentilă convexă şi o oglindă concavă.

O rază de lumină de la o sursă S cade pe o prismă care se roteşte foarte repede când aceasta se află în poziţia AB. Lumina este focalizată de o lentilă convexă L pe suprafaţa unei oglinzi concave M, al cărei centru de curbură se află în centrul lentilei. Raza este reflectată şi se întoarce la prisma aflată acum în poziţia CD. Aici este reflectată şi formează o imagine într-un punct S’. În experimentul lui Michelson din 1882 distanţa LM era de circa 610 m iar prisma era rotită de o turbină la o frecvenţă de 256 rotaţii pe secundă. Prin măsurarea distanţei SS’ el a dedus viteza luminii din toate celelalte date. În 1931 Michelson a realizat ultima sa măsurătoare în California. El a montat oglinda fixă la Mount San Antonio şi prisma la circa 35 km depărtare la Observatorul Mount Wilson. Această creştere enormă a „drumului” luminii a fost realizată prin proiectarea unei oglinzi octogonale perfecte, astfel încât imaginea era mult mai luminoasă decât la folosirea unei singure oglinzi. Prin reglarea vitezei de rotaţie, Michelson a reuşit ca lumina emisă pe drumul său de 70 km de pe o faţă a prismei să fie captată la întoarcere pe faţa următoare, aflată exact în aceeaşi poziţie cu cea precedentă. În acest fel imaginea S’ coincide cu punctul S şi inconvenientul măsurării distanţei a fost eliminat. Acest experiment a dus la aflarea valorii de 299.796 km s-1, dar nesiguranţa cu privire la condiţiile atmosferice limitează precizia acestei măsurători.

Metoda lui Essen
În 1950 fizicianul britanic Louis Essen a calculat viteza luminii prin măsurarea exactă a frecvenţei de rezonanţă a unei cavităţi metalice. Cunoscând dimensiunile cavităţii, el a putut determina şi lungimea de undă. Din aceste două măsurători a putut calcula viteza luminii folosindu-se de ecuaţia c=fλ, unde f este frecvenţa luminii şi λ este lungimea de undă. Metoda lui Essen măsoară de fapt viteza undelor radio, dar viteza tuturor undelor electromagnetice în vid este aceeaşi, astfel încât ea poate fi folosită şi pentru determinarea vitezei luminii. Mai mult, din moment ce undele radio au o lungime de undă de ordinul metrilor, acestea sunt mai uşor de măsurat decât lungimea de undă a luminii, care este de 5 × 10-7 m.
Metode Recente
Cele mai recente metode au derivat din metoda lui Essen şi implică măsurarea frecvenţei luminii vizibile captată asemănător undelor într-o cavitate laser. Cu toate acestea, măsurarea vitezei luminii nu mai reprezintă o provocare, ea fiind la ora actuală cunoscută ca o constantă fundamentală la valoarea de 299.792.458 m s-1

ȘTIÍNȚĂ, științe, s.f. I.1. Faptul de a avea cunoștință (de ceva), de a fi informat; cunoaștere. * Loc. adv.Cu (sau fără) știință = (ne)știind; (in)conștient; cu (sau fără) voie. Cu bună știință = conștient, având cunoștința deplină a faptelor. Cu (sau fără) știința cuiva = cu (sau fără) consimțământul ori aprobarea cuiva. Spre știință = ca să se știe. ** Veste, știre. 2. Conștiință. II.1. Pregătire intelectuală, instrucție; învățătură, erudiție. * Știință de carte = cunoștințe de scriere și de citire. 2. Ansamblu sistematic de cunoștințe despre natură, societate și gândire; ansamblu de cunoștințe dintr-un anumit domeniu al cunoașterii. * Om de știință = savant, învățat. [Pr.: ști-in-] - Ști + suf. -ință (cu unele sensuri după fr. science).