José Lourenço CINDRA (BR)
La relativeca principo estas unu el la plej gravaj principoj de la tuta klasika fiziko. La koncepto de relativeco, same kiel multaj aliaj fizikaj principoj, pasis jarcentan evoluan procezon.
Malgraŭ tio, por multaj homoj, kiam oni parolas pri relativeco, la unua penso, kiu alvenas al la menso estas asocii tiun koncepton kun la nomo de la mondfama sciencisto Albert Einstein (1879-1955). Tamen estas konate, ke multaj jaroj antaŭ Einstein la relativeca postulato de la movo kelkmaniere jam ĉeestis en la mekaniko. La grandega merito de Einstein estas precipe ke li, pli bone ol liaj antaŭuloj, vidis tiun principon ĉeestanta en la tuta fiziko, ĉar li postulis, ke ne nur la mekaniko, sed ĉiuj fizikaj leĝoj devas konsenti kun la relativeca principo. Verdire antaŭ Einstein ekzistis konflikto inter la relativeca principo en mekaniko kaj la nur ŝajna neado de tiu ĉi principo en elektrodinamiko. Li sukcesis trovi la solvon de tiu ĉi konflikto. Kiel diris Steven Weinberg (1): "La transforma grupo de Lorentz ne estas pli granda ol la grupo de Galileo. Tiamaniere la relativeca principo ne aperis kun la speciala relativecoteorio, sed ĝi estas restaŭrita per tiu teorio"
Por ke ni povu kompreni tiun ĉi evoluon el historia vidpunkto, necesas ke ni memoru, ke kelka fundamenta nocio de relativeco jam komenciĝis en la antikva Grekio, nome kiam oni ekkomprenis, ke la Tero ne estas ebena. Tiu ĉi fakto permesis, ke oni faru relativa la signifon de alteco kaj malalteco. Aliflanke la koncepto, laŭ kiu la Tero moviĝas, ankaŭ aperis en la antikva Grekio, ĝi estis akceptita de iuj pensuloj, ĉefe far Aristarko de Samos. Kvankam, ĝis la eŭropa renesanco, tiu ĉi hipotezo ne fariĝis dominanta, ĝi estis restaŭrita de Nikolao Koperniko (1473-1543). Tiamaniere Koperniko multe kontribuis por la akceptado de la koncepto de relativeca movado.
Mi volas prezenti kelkajn aspektojn de la historia evoluo de la relativeca principo. Bedaŭrinde, por ke la artikolo ne fariĝu tro longa mi ne povas multe diri pri la detaloj de tiu ĉi aventuro. La reala historio estas pli vasta, pli multkolora ol ĉiuj teoriaj priskriboj. Mi nur klopodas prezenti ĝeneralan panoramon de la relativeca principo. Krome jam ekzistas bonegaj verkoj pri tiu ĉi temo. Ekz. mi povus citi la referencon (3) malsupre.
Laŭ Aristotelo, la movo estas propra al la materio — la naturo estas difinita de li kiel mova kaj ŝanĝa principo. Tamen li pensis, ke por la daŭrigo de la movo estas necese ia permanenta motoro. La unua motoro estas nemoviĝema. Se unuflanke la aristotela penso havis kelkajn dialektikajn aspektojn, alie ĝi estis esence metafizika. Laŭ Aristotelo, ekzistis du kvalite malsamaj klasoj de loka movo: la t.n. natura movo de la ĉielaj korpoj laŭlonge de koncentraj sferoj, havantaj la Teron kiel sia centro, kaj la movo de teraj korpoj, ĉiam direktite al la centro de la mondo aŭ el la centro de la mondo. Ia ajn direkto, laŭ kiu la teraj korpoj povus moviĝi, estis, laŭ Aristotelo, ne natura movo, sed perforta movo. Mi pensas, ke necesas diri, ke tuta movspeco en tn. subluna regiono de la kosmo estis, laŭ aristotela vidpunkto, ne relativa, sed absoluta movo, ĉar la movo estas, laŭ lia opinio, karakterizita per unu komencpunkto kaj unu finpunkto. La koncepto de trajektorio kaj momenta rapideco ankoraŭ ne estis konataj. La fiziko de Aristotelo estis fiziko konstruita surbaze de la absolutaj konceptoj. Senmoveco kaj movo estis konsiderataj kiel kontraŭaĵoj. Krom tio, refutante la ekziston de vakuo, Aristotelo refutis samtempe la inercian principon, sen kiu estis neeble difini la relativecan principon.
Oni scias, ke la nocio de relativeco de la movo aperis per la historio procezo de de la klasika fiziko kaj de la klasikaj mondkonceptoj. Galileo Galilejo (1564-1642) estis inter la unuaj, kiuj rekonis la nekonsistencon de la aristotelaj konceptoj de la movo. Ekde la tempo de Galilejo komenciĝis kreski la konvinko, ke oni ne povas detekti unuforman rektan movon, krom se oni prenas alian korpon aŭ korpsistemon kiel referenckadron. Tiam ni povas aserti, ke tiel la rapido kiel la spacpozicio de unu korpo estas ĉiam relativaj. Tamen ni devas rimarkigi ke Galileo ankoraŭ havis kelkajn kvazaŭ aristotelajn ideojn, precipe la koncepton, laŭ kiu la inercia movo estas movo laŭlonge sferaj orbitoj. Li estis ankoraŭ konvinkita, ke la pezo estas interna eco de la korpoj. A. Kojre (2) skribis, ke la fiziko de Galilejo estas fiziko de la pezaj korpoj. Kaj M. Tonnelat (3) diris, ke li sciis, ke la movo laŭlonge horizontala ebeno estus eterna. Malgraŭ tio, la vojo al inercia principo ne estis alirebla por Galilejo, pro du motivoj:
Krom tio M. Tonnelat diris, ke estas interese konstati, ke intuicio, tre proksime de tiu, kiu permesis al Einstein aliri al la sojlo de la ĝenerala relativeco, ne permesis al Galilejo uzi la inercian principon por malvastigi tiun de la relativeco. Aliflanke, por René Descartes (1596- 1650), mondfama samtempulo de Galilejo, la sola atributo de materio estas la etendo. Tiam la inercia movo estus unuforma kaj laŭrekta movo, spite al tio ke li konsideris la spacon entute plena de ia turbulenta materio. Spaco kaj materio kunfandiĝas, laŭ lia opinio. Tiu ĉi lasta rimarkigo ŝajnas grava kiam oni scias, ke la evoluo de la fiziko depost Descartes ne daŭrigis la kartezian tradicion, kiu estis unu kinematika mondkoncepto. Por starigi la dinamikajn fundamentojn estis ankoraŭ necese, ke aperu la verko de Isaac Newton (1642-1727). Newton estis interalie la kreinto de gravaj kvantaj konceptoj, kiel la koncepto de maso, forto kaj akcelo. La apero de tiuj konceptoj profunde kontribuis al la disvolvigo de la fiziko, de tiam akceptebla kiel matura matematika scienco. Tamen estas necese diri, ke el koncepta vidpunkto, restis ankoraŭ kelkaj polemikaj demandoj. Tiuj demandoj, verdire, estis adresitaj al la estonteco. Krom tio ni povas diri, ke unuafoje en la historio estis kreita konsistenca fizika mondbildo. Prenante la relativecon de la inercia movo tra homogenaj absolutaj spaco kaj tempo, la Newton-a teorio reprezentis la triumfon de diferenciala mondkoncepto. Tamen estas notinde, ke la evoluo de fundamentaj fizikaj konceptoj ne estas linia procezo, tiam povis ĝenerale ekzisti samtempe konfliktemaj ideoj. Tio ĉi signifas, ke la superagado de unu aŭ alia koncepto povas esti provizora, mallongedaŭra. Ĉirkaŭ la konceptoj de Newton kaj liaj samideanoj estis iom kaj iom ekestanta ia firma teoria strukturo sufiĉe reflektanta la fizikan mondon. Komence aperis multaj anomalioj en la teorio, sed la senlaca laboro de Newton-aj sciencistoj ŝajnis venki ĉiujn malfacilaĵojn. Sed restis ankoraŭ kelkaj kontraŭdiroj de koncepta naturo. Eĉ en la epoko de Newton, la granda saĝulo Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), kaj poste la filozofo George Berkeley, kritikis la Newton-an koncepton de absolutaj spaco kaj tempo. Tamen necesis pasi pli ol jarcento por ke tiuj ĉi demandoj akiru aktualecon. Ni konsideras, ke en la dua duono de la XIX jarcento James Clerk Maxwell (1831-1879) formulis la elektrodinamikan teorion per ekvacia sistemo en partaj derivaĵoj, antaŭvidante la ekzistadon de elektromagnetaj ondoj, propagiĝantaj tra la spaco kun konstanta rapido egala al lumrapido. Tiuj ĉi ondoj estis fakte poste, ĉirkaŭ 1888, malkovritaj de Heinrich Hertz (1857-1894). Tamen, el teoria vidpunkto restis ankoraŭ kelkaj konceptaj malfacilaĵoj koncerne la demandon pri la referenckadro, rilate al kiu tiu ĉi rapido devus esti mezurata. Komence ŝajnis, ke la konstanta lumrapido devus esti mezurata rilate al t.n. senmova universala etero, tiel ludanta la rolon de privilegiita referencsistemo.
El la vidpunkto de la Newton-a mekaniko, konstruita surbaze de transformoj de Galilejo, la lumrapido devus esti malsama, rilate al diversaj referenckadroj, moviĝantaj inter si kun konstanta rapido. Sed, kontraŭe al ĉiuj atendoj, ĉiuj eksperimentoj por mezuri la relativan lumrapidon malsuksesis. En la vakuo, ĉiuj eksperimentoj nepre donis la saman valoron de la lumrapido. Aliflanke oni konstatis, ke la ekvacioj de Maxwell ne estis nevariaj rilate al la transformgrupo de Galilejo, sed rilate al alia transformgrupo, hodiaŭ nomata transformo de Lorentz, honore al la nederlanda fizikisto Hendrik Anton Lorentz (1853- 1928), kiu unuafoje pristudis tiujn spaco- kaj tempotransformojn ĉirkaŭ la jaro 1904. Krom tio la germana fizikisto kaj filozofo Erast Mach (1838-1916) jam grave kritikis la Newton-an koncepton de absoluta spaco kaj absoluta tempo. Laŭ la opinio de Mach, ĉiu movspeco, tiel la translacia same kiel la rotacia movoj, estus konsiderindaj ĉiam kiel relativaj movoj. Koncernante la rotacian movon Mach argumentis, ke la relativeco konsistas, ke temas pri movo rilate al la malproksimaj masoj de la universo. Tiu ĉi vidpunkto estas poste nomita de Einstein principo de Mach. Ŝajnas ke tiu ĉi principo havas fizikan enhavon. Verŝajne ĝi povos ludi gravan rolon en la fizika teorio. Kvankam ĝi estas ankoraŭ malkomprenata kaj simple refutata de kelkaj fizikistoj, tamen ĝi estas konsiderata de aliaj kiel grava principo. Malgraŭ tio ĝi restas kiel unu el la plej ĝeneralaj principoj de la tuta klasika fiziko, atendanta taŭgan matematikan formuladon.
La konflikto inter Newton-a mekaniko kaj elektrodinamiko de Mawell el nevarieca vidpunkto servis kiel motivo por Einstein revizii la fundamentajn konceptojn de absolutaj spaco kaj tempo. Kiel komencpunkto en sia teorio, li prenis la konstanton de lumrapido en la vakuo. Samtempe li postulis la ekvivalenton de ĉiuj inerckadroj por ĉiuj fizikaj leĝoj. Kiel sekvon de tiuj ĉi postulatoj ni havas la relativecon de spaco kaj tempo. La simultaneco de du eventoj fariĝas relativa, ĝi perdas sian absolutecon. Laŭ Holton (4), serĉante restaŭri kelkajn simetriojn en la fizikaj leĝoj, la ĉefa klopodo de Einstein estis koherecigi de tiujn ĉi legojn. Aliflanke Lanczos (5) rimarkigas, ke la frua stilo de la pensado de Einstein ŝanĝiĝis. Kiam li kreis la specialan relativecan teorion li estis vera empiriisto, konsideranta la teorion kiel ĝeneraligo de la observoj, poste Einstein fariĝis iom kaj iom fizikisto klopodanta konformigi al la ĝeneralaj kaj raciaj principoj. La kredo al la racieco de tiu ĉi mondo estis pli kaj pli karakterizaĵo de la agado de Einstein, diris Lanczos.
Krom tio la fruaj rimarkigoj de Mach, koncerne la Newton-an fizikon, servis kiel heŭristika principo motivanta Einstein serĉi relativisman aliron al gravita fenomeno. La unuaj decidaj paŝoj de Einstein al tiu ĉi celo estis faritaj surbaze de la empiria konstato (eksperimento de Eötvös) de ekvivalento inter gravita kaj inercia masoj. Tiun ĉi aliron al gravita fenomeno Einstein komencis en la jaro 1907. Post multaj jaroj da laboro, inter sukcesoj kaj malsukcesoj, li finfine ĉirkaŭ 1915 atingis la celon. En letero de la 10- a de decembro 1915 al sia amiko Michele Besso Einstein esprimas sian ĝojon pri tio. Li skribis: „La plej aŭdacaj revoj estas nun realigitaj. Ĝenerala kunvarieco de la perihelmovo de Merkuro estas mirinde preciza" (6). La epokfara ĝenerala relativeca teorio aperis en 1916. La vojo sekvita de Einstein estis tre originala. Aliaj sciencistoj postrestis, kiel en la okazo de speciala relativeco, serĉante gravitan teorion surbaze de transformoj de Lorentz. Aliflanke, Einstein surbaze de ekvivalenteca principo, ekde komenco mem, elektis alian vojon, komence pli aŭ malpli intuitive, poste uzante la Riemann-an geometrion, li alvenis al koncepto de kurba spaco kiel manifestiĝo de gravita fenomeno. La ekvivalenteca principo estas la esenca parto de la ĝenerala relativeca teorio. Sed, klarigante la faktojn el historia vidpunkto, oni devas mencii, ke kelkaj fakuloj ne pensas tiamaniere. Laŭ ilia opinio, la ekvivalenteca principo ne havas fizikan signifon. Inter ili ni povas nomi Max Abraham kaj Gustav Mie, fizikistoj kaj samtempuloj de Einstein, alivoje laborantaj en tiu ĉi temo. Eĉ post la ellaborado de la ĝenerala relativecoteorio, eĉ ĝis nuntempo, kelkaj specialistoj ne konsentas kun la grava rolo de tiu ĉi principo. Verdire la alveno de fundamenta artikolo de Einstein pri ĝenerala relativeco en la fama revuo "Annalen der Physik" estis kelkaj tagoj anticipita de artikolo de la fizikisto-matematikisto David Hilbert, tiam laboranta en Göttingen. Tamen, la verko de Hilbert ne allogis multan atenton flanke de fizikistoj, verŝajne ĉar en ĝi estis uzita tre avangarda (progresema?) matematiko. La verko de Einstein kontraŭe estis klara kaj relative alirebla al ĉiuj kiuj volis kompreni la novan teorion.
La centra konkludo estas, ke la relativeca principo fakte ekkonis evoluan procezon. Tiu ĉi principo estas fundamenta en la tuta moderna fiziko. Oni povas diri, ke la klasika fiziko, nome la Newton-a fiziko, estas fiziko kiu prezentas la relativecan principon de unua ordo. La speciala relativeca teorio reprezentas la relativecan principon de dua ordo. La ĝenerala relativeca teorio tiel povus esti konsiderata kiel realigo de la relativeca principo ĝis la tria ordo. Intertempe la speciala relativeca teorio, malgraŭ kelkaj radikalaj ŝanĝigoj, kiel la neado de absolutaj spaco kaj tempo, la kresko de la maso kun la rapido, reprezentas la daŭrigon de la Newton-a fiziko, signifante ke tiu ĉi teorio, same kiel la Newton-a teorio, akceptas konvenaj por la plenumo de siaj fizikaj leĝoj nur la inerckadrojn.
Aliflanke, la ĝenerala relativeca teorio estas konstruita surbaze de konceptoj aliaj ol Newton-aj. Tiu ĉi teorio rifuzas tiel la absolutan spacon kiel la absolutan tempon. Krom tio, la teorio ne rekonas la ekziston de privilegiaj kadroj kaj diferencon inter fikcia kaj reala fortoj. Ĝi rifuzas eĉ la gravitan forton mem, ĉar el la ĝenerala geometriigo de la fiziko rezultas, ke la gravita fenomeno aperas kiel manifestiĝo de la spaco-tempa kurbiĝo. La spaco-tempo fariĝas kurba per la materio mem. Tiel ĉi ni prenas materion kiel filozofia kategorio, kiel ĝenerala substrato, inkluzive de la kampo kaj partiklojn havantaj nulan mason (7). Ĝenerala relativeca teorio montras, ke ekzistas profunda rilato inter materio, spaco kaj tempo. Tiu ĉi rilato ne estas simple rilato de kialo kaj efiko. Ĝi estas manifestiĝo de esence ne-linia aspekto de la teorio. Malgraŭ la fakto, ke kelkaj aspektoj de tiu ĉi teorio similas al ideoj proponitaj de Mach, ĝi ne realigas la principon de Mach. Almenaŭ se oni akceptas la vidpunkton de Mach, laŭ kiu estas necese pli radikala relativeco de fizikaj grandoj. Ĉefe, ĉar laŭ ĝenerala relativeca teorio inercio kaj akcelo restas kiel antaŭe: ili estas absolutaj grandoj. Krome restas la fakto, ke la ĝenerala relativeco estas kampa teorio, dum la principo de Mach kontraŭe enhavas agon per distanco.
Fonto: Scienca Revuo vol. 47 (1996) (2) - 169. pp. 23-30.
Enretigo: Mészáros István
STEB: http://www.eventoj.hu