MARI FIZICIENI

ISAAC NEWTON

Isaac Newton (n. 4 ianuarie , Woolsthrope/Grantham - d. 31 martie , Kensington) renumit om de stiinta englez, matematician, fizician si astronom, presedintele Academiei Regale de stiinte a Angliei. Isaac Newton este savantul aflat la originea teoriilor stiintifice care vor revolutiona stiinta, în domeniul opticii, matematicii si în special al mecanicii. În a publicat lucrarea Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, în care a descris Legea universala a gravitatiei si, prin studierea legilor miscarii corpurilor, a creat bazele mecanicii clasice. A contribuit, împreuna cu Gottfried Wilhelm von Leibniz, la inventarea si dezvoltarea calculului diferential si a celui integral. Newton a fost primul care a demonstrat ca legile naturii guverneaza atât miscarea globului terestru, cât si a altor corpuri ceresti, intuind ca orbitele pot fi nu numai eliptice, dar si hiperbolice sau parabolice. Tot el a aratat ca lumina alba este o lumina compusa din radiatii monocromatice de diferite culori.

Newton a fost un fizician, înainte de toate. Laboratorul sau urias a fost domeniul astronomiei, iar instrumentele sale geniale au fost metodele matematice, unele dintre ele inventate de el însusi. Newton nu s-a lasat antrenat de latura pur astronomica si matematica a activitatii sale, ci a ramas de preferinta fizician. În aceasta consta neobisnuita tenacitate si economia gândirii sale. Pâna la Newton si dupa el, pâna în timpurile noastre, omenirea n-a cunoscut o manifestare a geniului stiintific, de o forta si o durata mai mare.

Newton a fost primul care si-a dat seama de aceasta. Spencer ne comunica urmatoarele cuvinte ale lui Newton, rostite cu putin timp înaintea mortii sale: "Nu stiu cum arat eu în fata lumii, dar mie mi se pare ca sunt un baiat care se joaca pe malul marii si se distreaza cautând din timp în timp pietricele mai colorate decât de obicei, sau o scoica rosie, în timp ce marele ocean al adevarului se întinde necunoscut în fata mea."

Biografie

Newton s-a nascut în anul izbucnirii marelui razboi civil în Anglia, a fost martorul executarii lui Carol I, al guvernarii lui Cromwell, al restaurarii Stuartilor, al asa-numitei "glorioase revolutii, fara varsare de sânge" din si a murit la vârsta de 85 de ani, când regimul constitutional era consolidat. Dar furtunile politice n-au lasat, pare-se, urme adânci asupra vietii lui Newton. El a ramas, cel putin în aparenta, un "filozof" apolitic, în acel sens larg în care cuvântul era folosit în vechime.

Viata lui Newton a decurs linistita, pasnica si monotona; el a murit necasatorit, iar calatoriile lui s-au marginit la mici distante, netrecând granitele Angliei. Newton s-a bucurat de o sanatate robusta, niciodata nu a avut prieteni apropiati, de o vârsta cu el.

Cu toata amploarea extraordinara a preocuparilor sale stiintifice, Newton nu a fost un geniu universal, ca Leonardo da Vinci, sau un "polihistor, ca Leibniz. Gândirea si activitatea lui s-au concentrat asupra "filozofiei naturale sau a fizicii, matematicii si astronomiei.

Preocuparile teologice si istorice ale lui Newton pot fi considerate doar ca un tribut inevitabil pe care l-a platit epocii, ca si multi dintre contemporanii lui, desi el însusi era uneori înclinat sa considere preocuparile sale în domeniul teologiei si religiei drept activitatea lui principala.

Newton s-a nascut în satul Woolsthorpe, situat la 10 km sud de oraselul Grantham, în apropierea tarmului rasaritean al Angliei.

Despre originea familiei Newton din Woolsthorpe exista foarte putine informatii. Pâna la dobândirea titlului de noblete, Newton se interesa, pare-se, foarte putin de stramosii lui. Cum se întâmpla adeseori, familia îsi amintea, dintre str 23223c224x 9;mosi, numai de bunici. Este adevarat ca dupa ce a devenit "Sir Isaac", Newton a prezentat Camerei heraldice un tablou genealogic oficial, cuprinzând pe toti ascendentii sai pâna la tatal stra-strabunicului, John Newton.

În relatarile despre perioada scolara a vietii lui Newton, aparute dupa moartea sa, este greu sa se deosebeasca faptele reale de legende. În ele se reflecta clar dorinta fireasca de a scoate în evidenta acele trasaturi ale lui care s-au manifestat cu toata puterea mai târziu. scoala din Grantham, unde Newton a petrecut aproape 5 ani, a avut, probabil, o mare influenta asupra formarii caracterului sau, contribuind la însusirea matematicii, limbii latine si a teologiei, necesare pentru studiile universitare.

Newton avea pasiunea de a construi jucarii mecanice complicate, modele de mori de apa si de soare. Copilului îi placea sa confectioneze zmeie, pe care, uneori, le înalta noaptea, agatându-le felinare de hârtie colorata si raspândind cu aceasta ocazie, în gluma, zvonuri despre o noua cometa. Sotul nepoatei lui Newton, Condwitt, povesteste ca acesta considera drept prima sa experienta de fizica aceea pe care a facut-o în 1658, si anume: dorind sa determine puterea vântului în timpul furtunii, el a masurat lungimea sariturii sale proprii în directia vântului si în sens contrar.

O data cu mutarea la Cambridge intervine o schimbare radicala în viata lui. Interesele familiale, ale gospodariei, cunostintele si prietenii, toate sunt uitate în atmosfera austera de la Trinity College.

Singurul profesor al lui Newton care a exercitat efectiv o mare influenta asupra lui a fost Isaac Barrow, primul profesor care a ocupat catedra Lucas. Isaac Barrow ( - ), tânar profesor pe vremea studentimii lui Newton, a devenit, probabil mai târziu prietenul sau.

Cum s-a desfasurat viata de zi cu zi a lui Newton în primii ani la Cambridge? Despre aceasta s-au pastrat putine date. Se stie ca uneori lua parte la chefuri studentesti si juca carti. Probabil însa pentru a nu se singulariza printre ceilalti.

Tânarul Newton a fost econom si ordonat în cheltuielile sale; el cheltuia sume mai importante numai pe carti si aparate stiintifice. Veniturile lui, din momentul când a devenit membru al colegiului, au fost destul de importante, atingând 200-250 de lire sterline pe an. Cu o asemenea suma pe vremea aceea se putea trai confortabil, mai ales în provincie.

Societatea Regala a devenit arena principala a luptei si a victoriilor stiintifice ale lui Newton. De la 30 noiembrie si pâna la sfârsitul vietii, el a fost presedintele acestei societati.

Telescopul lui Newton a devenit curând un obiect de mândrie nationala în Marea Britanie si aparatul preferat al astronomilor englezi. Multe eforturi pentru perfectionarea lui s-au facut de catre Edmund Halley, înca din timpul când traia Newton. El însusi a continuat sa lucreze, cel putin 10 ani, la îmbunatatirea aparatului. În Optica se mentioneaza faptul ca în perioada - el a încercat sa înlocuiasca oglinda metalica cu un menisc de sticla, acoperit cu mercur pe partea convexa. Telescopul-reflector a fost folosit cu mult succes pentru descoperiri astronomice foarte importante de William Herschel, care a construit în un instrument, a carui oglinda avea un diametru de 122 cm. În secolul al XIX-lea, lordul Ross a construit un reflector si mai mare, cu o oglinda al carei diametru a atins 182 cm. Cu ajutorul acestui telescop au fost descoperite, printre altele, nebuloasele spirale, adica universuri noi, corespunzatoare galaxiei noastre.

Telescopul lui Newton poate fi considerat drept un preludiu la toata activitatea lui ulterioara.

Asa cum într-o uvertura, care precede unei mari piesa muzicale, motivele principale se împletesc, tot astfel în telescopul lui Newton se pot urmari izvoarele tuturor directiilor principale ale gândirii si activitatii sale stiintifice ulterioare.

Ocolirea aberatiei cromatice a constituit începutul tuturor cercetarilor optice ale lui Newton; cautarea aliajului potrivit pentru oglinzi a contribuit, probabil, într-o masura însemnata la cercetarile sale chimice ulterioare si la competenta conducere a Monetariei. Scopul direct al telescopului - lumea astrilor - l-a atras pe Newton spre problemele de baza ale mecanicii ceresti ale astronomiei. În fine, munca sterila cu suprafetele nesferice, care a precedat reflectorul, era legata în mod inevitabil de geometria sectiunilor conice si de problemele generale ale analizei.

Dupa acest preludiu cu telescopul, s-au succedat fazele cele mai importante ale vietii stiintifice a lui Newton. La o saptamâna de la admiterea lui ca membru al Societatii Regale, el scrie urmatoarele rânduri semnificative secretarului Societatii, Oldenburg: "N-ati putea sa-mi comunicati în apropiata dv. scrisoare, cât timp vor mai dura sedintele saptamânale ale Societatii, caci eu doresc sa supun aprobarii Societatii Regale o comunicare asupra unei descoperiri în fizica, descoperire care m-a dus la construirea telescopului. Nu ma îndoiesc ca acest referat va fi mai placut decât comunicarea despre aparat; caci dupa judecata mea, este vorba de cea mai remarcabila, daca nu si cea mai importanta descoperire care s-a facut vreodata cu privire la fenomenele naturii."

Newton s-a antrenat în polemica, a trebuit sa scrie criticilor scrisori lungi, care treceau prin mâinile secretarului Societatii Regale - Oldenburg. Îl iritau obiectiile nefondate, era jignit când concluziile sale erau calificate ipoteze - cuvânt pe care nu-l putea suferea. "stiti - scria el lui Oldenburg - ca adevarata metoda de a descoperi însusirile lucrurilor consta în a le deduce din experienta. V-am mai spus ca teoria mea este concludenta pentru mine. nu numai pentru ca sunt infirmate toate presupunerile contrarii, ci si pentru ca decurge din experientele pozitive si hotarâtoare." Raspunzând pentru a doua oara iezuitului Paradis prin intermediul lui Oldenburg, Newton repeta din nou, iritat: "Trebuie sa observ, înainte de toate, ca teoria mea despre refractia luminii si despre culori consta exclusiv în determinarea unor însusiri ale luminii fara a emite vreo ipoteza despre originea ei".

Daca tinem seama ca Newton a lucrat si în domeniul acusticii, cel putin teoretic, vedem ca urmele activitatii sale pot fi constatate în toate domeniile fizicii: în mecanica, în caldura, în teoria despre sunet, lumina, electricitate si magnetism si în domeniul acelor fenomene, care astazi sunt reunite sub denumirea de "fizica moleculara".

Newton era, fara îndoiala, un om profund religios si în afara de aceasta, un teolog erudit. În , John Locke scria nepotului sau, King: "Newton este într-adevar un savant remarcabil, nu numai datorita uimitoarelor sale realizari în domeniul matematicii, ci si în teologiei, gratie vastelor sale cunostinte în Sfânta Scriptura, putini putându-se compara cu el". Newton se bucura de asemenea mare celebritate ca teolog si în cercuri mai largi.

Triumful stiintific al lui Newton în ultimele decenii se împletea într-un anumit grad cu o bunastare exterioara: onorurile palatului, respectul discipolilor, îngrijire buna acasa. Nepoata sa a continuat sa locuiasca la el si nu s-a despartit de el nici dupa ce s-a maritat a doua oara cu Condwitt. Batrânetea lui a fost linistita, fara complicatii si zguduiri bruste. Abia la vârsta de 80 de ani s-a constatat la Newton o afectiune serioasa a vezicii, însotita de o litiaza. Cu toate ca detinea o functie înalta, el a ramas pâna în ultimele zile modest si simplu în relatiile cu oamenii si în îmbracaminte. Dupa marturia multor contemporani, în înfatisarea sa exterioara, Newton nu avea nimic deosebit, care sa atraga atentia. Era de statura sub-mijlocie, îndesat si cu o privire vie si patrunzatoare. Numarul destul de mare de portrete în ulei confirma parerile contemporanilor sai. Newton se bucura de o sanatate excelenta ; pâna la sfârsitul vietii sale el a pierdut doar o singura masea si si-a pastrat pâna la sfârsit un par des si frumos, de un alb splendid la batrânete, dupa marturia lui Condwitt. Parul si-l lega uneori cu o funda. Newton nu era un bun tovaras de conversatie, fiind mereu cufundat în gânduri. În legatura cu aceasta s-au pastrat multe anectode despre felul sau de a fi distrat. Econom si socotit, el îsi ajuta întotdeauna cu placere prietenii si rudele. Dupa moartea sa a ramas o mostenire importanta, de 32.000 lire sterline.

Starea sanatatii lui Newton s-a înrautatit vizibil în 1725. În acel an Londra a fost vizitata de preceptorul lui Ludovic al XV-lea, abatele Alary, si Newton a putut prezida înca sedinta solemna a Societatii Regale, tinuta cu acest prilej.

Din 1725, Newton si-a încetat de fapt serviciul la Monetarie si si-a predat functiile sotului nepoatei sale - Condwitt. El a fost mutat la Kensington, iar pe 28 februarie merge la Londra pentru a prezida sedinta Societatii regale. La înapoiere în Kensington, la 4 martie, a avut o criza de litiaza. Câteva zile, mai erau sperante ca Newton se va însanatosi; la 18 martie Newton mai citise ziarele si avusese o convorbire cu medicul sau si cu Condwitt. În seara aceleiasi zile el si-a pierdut cunostinta si a murit linistit în noaptea de spre 21 martie, în vârsta de 84 de ani. Corpul lui Newton a fost adus de la Kensington la Londra si înmormântat în cadrul unei ceremonii solemne la Westminster. Peste patru ani, rudele lui Newton au ridicat la mormântul sau un monument cu chipul lui, decorat cu diferite embleme si simboluri.

Epitaful de pe mormâmtul sau contine urmatorul text: "Aici se odihneste Sir Isaac Newton, nobil, care cu o ratiune aproape divina a demonstrat cel dintâi, cu faclia matematicii, miscarea planetelor, caile cometelor si fluxurile oceanelor. El a cercetat deosebirile razelor luminoase si diferitele culori care apar în legatura cu acesta, ceea ce nu banuia nimeni înaintea lui. Interpret sârguincios, întelept si corect al naturii, al antichitatii si al Sfintei Scripturi, el a afirmat prin filozofia sa maretia Dumnezeului atotputernic, iar prin caracterul sau exprima simplitatea evanghelica. Sa se bucure muritorii, ca a existat o asemenea podoaba a speciei umane. Nascut la 25 decembrie 1642, decedat la 20 martie 1727".

Opera

Lucrari în domeniul opticii

Între 1670 si Newton s-a ocupat mai mult cu problemele de optica. În acest timp a studiat refractia luminii, demonstrând ca o prisma de sticla poate descompune lumina alba într-un spectru de culori si ca adaugarea unei lentile si a unei alte prisme poate recompune lumina alba. Pe baza acestei descoperiri a construit un telescop cu reflex, care a fost prezentat în la Royal Society. Newton a probat ca lumina este alcatuita din particule. Cercetarile ulterioare au demonstrat natura ondulatorie a luminii, pentru ca, mai târziu, în mecanica cuantica sa se vorbeasca despre dualismul corpuscul-unda.

De asemenea, modelul de telescop folosit azi este cel introdus de catre Newton.

Teoria gravitatiei

În 1679 Newton reia studiile sale asupra gravitatiei si efectelor ei asupra orbitelor planetelor, referitoare la legile lui Kepler cu privire la miscarea corpurilor ceresti, si publica rezultatele în lucrarea De Motu Corporum ("Asupra miscarii corpurilor", ).

În lucrarea Philosophiae naturalis principia mathematica ("Principiile matematice ale filozofiei naturale", ), Newton stabileste cele trei legi universale ale miscarii (Legile lui Newton), referitoare la inertia de repaus si miscare si la principiul actiune-reactiune. Foloseste pentru prima data termenul latin gravitas (greutate), pentru determinarea analitica a fortelor de atractie, si defineste Legea universala a gravitatiei.

Opere filozofice si religioase

Newton a scris numeroase opuscule cu subiecte filozofice si religioase asupra interpretarii unor texte din Biblie, sub influenta spiritualismului mistic al lui Henry More si a convingerii în infinitatea universului împotriva dualismului cartezian. Lucrarile sale The Chronology of Ancient Kingdoms Amended si Observations Upon the Prophecies of Daniel and the Apocalypse of St. John au fost publicate dupa moartea sa.

"Filozofia naturala" a lui Newton

Issac Newton nu a fost nici metafizician de profesie ca Henry More, nici în acelasi timp filozof si om de stiinta ca René Descartes. Filozofia îl preocupa numai în masura în care are nevoie pentru a pune bazele investigatiei sale matematice a naturii. Fizica sa, mai exact, filozofia naturala a lui Newton nu poate fi disociata de conceptele inteligibile de timp absolut si spatiu absolut, opuse timpului si spatiului sensibil sau datorite simtului comun. Timpul absolut, adevarat si matematic, este numit de Newton Durata. În ceea ce priveste structura interna a spatiului, a "diviza" spatiul, adica a separa în mod efectiv si real "partile" sale, este imposibil, imposibilitate care nu interzice efectuarea unor distinctii "abstracte" si "logice" si nu ne împiedica sa deosebim "parti" inseparabile în spatiul absolut. Infinitatea si continuitatea spatiului absolut implica aceasta distinctie. Din aceasta deriva afirmatia ca miscarea absoluta este miscarea în raport cu spatiul absolut, si toate miscarile relative implica miscari absolute. Miscarea absoluta este însa foarte greu, daca nu imposibil de determinat. Noi percepem lucrurile în spatiu, miscarile lor în raport cu alte lucruri, adica miscarile lor relative, dar nu miscarile lor absolute în raport cu spatiul însusi. În plus, miscarea însasi, starea de miscare, desi diametral opusa starii de repaus, este totusi absolut indiscernabila de aceasta din urma. Asadar, noi putem distinge efectiv miscarile absolute de miscarile relative sau chiar de repaus numai în cazul în care determinarea fortelor care actioneaza asupra corpurilor nu se bazeaza pe perceptia schimbarilor ce intervin în relatiile mutuale ale corpurilor respective. Miscarea rectilinie nu ofera aceasta posibilitate, conditiile necesare sunt întrunite doar de miscarea circulara, care da nastere unor forte centrifuge a caror determinare permite recunoasterea existentei ei într-un corp dat si chiar sa-i masuram viteza, fara a trebui sa ne interesam de pozitia sau de comportamentul vreunui alt corp decât al celui care se roteste. Descoperirea caracterului absolut al rotatiei constituie o confirmare decisiva a conceptiei despre spatiu a lui Newton, ea o face accesibila cunoasterii noastre empirice si, fara sa o lipseasca de functia si de statutul ei metafizic, îi asigura rolul si locul de concept stiintific fundamental. Caci daca miscarea inertiala, adica miscarea rectilinie si uniforma, devine - exact ca si repausul - starea naturala a unui corp, atunci miscarea circulara, care în orice punct al traiectoriei îsi schimba directia, pastrând totodata o viteza unghiulara constanta, apare din punctul de vedere al legii inertiei ca o miscare nu uniforma, ci constant accelerata. Spre deosebire însa de simpla translatie, acceleratia a fost întotdeauna ceva absolut si asa a ramas pâna la emiterea teoriei relativitatii generale de catre Einstein, care o lipseste de caracterul sau absolut. Or, ca sa realizeze acest lucru, Einstein a trebuit sa re-închida Universul si sa nege structura "geometrica" euclidiana a spatiului, confirmând astfel logica conceptiei newtoniene.

ALBERT EINSTEIN

Albert Einstein (14 martie - 18 aprilie ) s-a nascut în Ulm, Germania, la 14 martie, si si-a petrecut tineretea la München, unde familia sa detinea un mic atelier de produse electrice. A început sa vorbeasca abia la vârsta de 3 ani, dar înca de mic copil a aratat interes pentru natura precum si abilitate în a întelege concepte matematice dificile. La vârsta de 12 ani a învatat geometria euclidiana. Einstein ura plictiseala si lipsa de imaginatie din scoala de la München.

Când esecurile repetate ale afacerilor familiei au dus la parasirea Germaniei cu destinatia Milano, Italia, Einstein a ramas la München pâna la sfârsitul anului scolar. Dupa ce a petrecut un an cu parintii în Milano, s-a hotarât sa-si creeze singur drumul în viata si s-a înscris la liceul cantonal din Aargau, Elvetia, dupa care, în , a intrat la Politehnica din Zürich. Lui nu îi placeau metodele de instruire de aici, lipsea des de la ore si folosea acest timp pentru a studia singur fizica si pentru a cânta la vioara. A trecut totusi examenele si a absolvit Politehnica în , studiind notitele unui coleg. Profesorii nu aveau o parere foarte buna despre el si nu i-au recomandat nici continuarea studiilor. În acelasi an a capatat cetatenia elvetiana.

Timp de 2 ani Einstein a lucrat ca tutor si profesor. În 1902 a fost angajat ca examinator la Institutul Elvetian de Patentare de la Berna. În s-a casatorit cu Mileva Mariç, care îi fusese colega la politehnica. Au avut doi fii, dar în cele din urma au divortat. Einstein s-a recasatorit mai târziu.

În anul 1905, Einstein a publicat dintr-o lovitura rezultatele mai multor studii teoretice, care l-au facut deodata cunoscut si care aveau sa revolutioneze fizica. Primul si cel mai important studiu cuprinde prima expunere completa a teoriei relativitatii restrânse, în care demonstreaza ca teoretic nu este posibil sa se decida daca doua evenimente care se petrec în locuri diferite, au loc în acelasi moment sau nu. Alta lucrare, asupra efectului fotoelectric, contine ipoteza revolutionara asupra naturii luminii. Einstein afirma ca, în anumite circumstante determinate, radiatia electromagnetica are o natura corpusculara (materiala), sugerând ca energia transportata de fiecare particula a razei luminoase, denumita foton, ar fi proportionala cu frecventa acelei radiatii. Aceasta ipoteza avea sa fie confirmata experimental zece ani mai târziu de catre Robert Andrews Millikan. Într-un alt studiu asupra electrodinamicii corpurilor în miscare, expune modalitatea interactiunii între radiatie si materie si caracteristicile fenomenelor fizice observate în sistemele de miscare browniana a moleculelor. Einstein sustine ca fascicolele luminoase se curbeaza când se propaga în vecinatatea unui corp ceresc cu mare forta de gravitatie, de unde reprezentarea mai greu de înteles, cum ca spatiul însusi ar fi curb. În publica memoriul privitor la bazele teoriei relativitatii generale, rod al zece ani de studiu. Aceasta lucrare se înscrie în linia demonstratiilor sale ale geometrizarii fizicei. Celebra este ecuatia care exprima cantitatea enorma de energie ascunsa într-un corp: E=mc², cantitatea de energie (E) este egala cu produsul între masa (m) si patratul vitezei luminii (c). Aceasta cantitate imensa de energie poate fi eliberata în procesul de desintegrare nucleara, proces care sta la baza functionarii bombei atomice cu fisiune.

Dupa ce în 1905 a obtinut titlul de Doctor în Fizica la Universitatea din Zürich, în urma unei dizertatii privind determinarea dimensiunilor moleculare, este numit în profesor de Fizica teoretica la aceiasi universitate. În , fizicianul german Max Planck îl aduce la Berlin, unde Einstein preia conducerea unei sectii de cercetare în cadrul Academiei Prusiene de stiinta ("Preußische Akademie der Wissenschaft") si în devine director al Institutului de Fizica "Kaiser Wilhelm", nou înfiintat.

Dupa 1919 meritele lui Einstein au fost recunoscute pe plan mondial. A primit numeroase premii si distinctii de la diferite societati de fizica de pe intreg globul, printre care si Premiul Nobel pentru fizica în , pentru explicarea efectului fotoelectric (deci nu pentru teoria relativitatii). Vizitele sale în orice parte a Terrei au devenit evenimente nationale; fotografii si reporterii îl urmareau peste tot. Desi regreta pierderea sferei sale intime, Einstein si-a folosit renumele pentru a-si propaga propriile sale vederi politice si sociale.

Cele doua miscari sociale care au fost pe deplin sustinute de el au fost Pacifismul si Zionismul. În timpul Primului Razboi Mondial Einstein a fost unul din numerosii academicieni germani care au condamnat public implicarea Germaniei în razboi. Dupa razboi, el si-a continuat suportul public pentru telurile pacifiste si zioniste, iar aceasta l-a facut tinta unor numeroase atacuri din partea unor grupari antisemitice si extremiste din Germania. Chiar si teoriile sale stiintifice au fost ridiculizate în public, pe nedrept, inclusiv Teoria relativitatii.

Când Hitler a venit la putere in Germania în , Einstein s-a decis imediat sa emigreze în Statele Unite. A primit o functie la Institute for Advanced Study, în Princeton, New Jersey. Continuându-si activitatea în favoarea Zionismului, Einstein a renuntat la pozitia sa pacifista în fata imensei amenintari la adresa umanitatii venita din partea regimului nazist din Germania.

În 1939 Einstein a contribuit împreuna cu alti numerosi fizicieni la scrisoarea catre presedintele Americii Franklin Delano Roosevelt, insistând asupra necesitatii fabricarii bombei atomice, întru cât exista posibilitatea ca si guvernul german sa urmeze aceasta cale. Scrisoarea, care purta numai semnatura lui Einstein, a ajutat la grabirea eforturilor pentru obtinerea bombei atomice în Statele Unite, dar Einstein nu a avut nici un rol direct sau personal în fabricarea acesteia.

Dupa razboi, Einstein s-a angajat pentru cauza dezarmarii internationale si a unei guvernari mondiale. A continuat suportul sau activ pentru zionism, dar a refuzat oferta facuta de catre conducatorii Israelului de a deveni presedinte. În Statele Unite, la sfârsitul anilor 1940 si începutul anilor 1950, a sustinut ideea de a face orice sacrificiu necesar pentru a conserva libertatea politica alaturi de alti intelectuali.

Einstein a murit la Princeton, la 18 aprilie .

În Germania, anul a fost decretat "Anul Einstein": se împlinesc 100 de ani de la lansarea teoriei relativitatii precum si 50 de ani de la moarte. În acest an sunt prevazute o serie de manifestari stiintifice si de popularizare a teoriilor sale.

Este foarte important de stiut despre Einstein ca nu a fost niciodata de acord cu mecanica cuantica. A purtat discutii aprinse cu marele fizician Niels Bohr în legatura cu principiul de nedeterminare si s-a stins din viata fara sa accepte metoda acestei teorii.

MICHAEL FARADAY

Michael Faraday (22 septembrie -25 august ) a fost un fizician si chimist englez.

În fizica face cercetari importante privind cunoasterea electromagnetismului si dezvoltarea aplicatiilor acestuia.

Îsi propune producerea curentului electric cu ajutorul magnetismului, experiente pe care le începe în anul , terminându-le cu succes în anul . Experientele lui completeaza cercetarile fizicianului si matematicianului francez André Marie Ampère referitoare la fortele electromagnetice, reusind rotirea unui circuit parcurs de un curent electric într-un câmp magnetic. Practic descopera principiul de functionare a motorului electric cu magneti permanenti.

În anul descopera inductia electromagnetica, reusind sa realizeze conversia electromecanica a energiei.

Faraday arata dupa o serie de experimentari ca electricitatea se obtine prin inductie, prin frecare, pe cale chimica sau termoelectrica.

A propus reprezentarea câmpului magnetic prin linii de forta (sau linii de câmp) si arata ca actiunile electrice si magnetice se transmit din aproape în aproape, cu viteza finita. Combate astfel conceptia mecanicista conform careia aceste actiuni se transmit la distanta instantaneu cu viteza infinita, independent de mediu, dupa modelul mecanic al fortelor de gravitatie.

Faraday arata ca notiunile de câmp electric si câmp magnetic pe care le-a introdus ca forme de existenta a materiei, stau la baza interpretarii materialiste a fenomenelor electomagnetismului. Au fost dezvoltate de James Clerk Maxwell, cunoscute ca ecuatiile lui Maxwell.

Primele cercetari în domeniul chimiei, duce la descoperirea benzenului în gudronul din huila, cu ajutorul unui aparat conceput de el. Era un aparat prin compresie si racire, cu care a putut sa lichefieze aproape toate gazele cunoscute în acel timp. În enunta legea electrolizei, lege ce sta la baza electrochimiei. Tot el, Faraday, este cel ce introduce termenii de ion, catod, anod, anion, cation, echivalent electrochimic. De asemeni studiind proprietatile magnetice ale substantelor,introduce termenii de diomagnetism si paramagnetism.

A elaborat teoria electrizarii prin influienta si principiul ecranului electrostatic (sau cusca lui Faraday), enuntând astfel legea consevarii sacinii electrice (1843). Mai târziu, în , arata ca energia electrostatica este localizata în dielectrici.

Ultimile sale cercetari arata actiunea câmpului electric asupra luminii polarizate sau efectul de polarizare rotatorie a luminii în câmp magnetic.

Ca pretuire a cercetarilor sale si a contributiei sale în fizica, denumirea unitatii de capacitate se numeste "Farad", iar numarul care exprima cantitatea de electricitate necesara depunerii prin electroliza a unui atomogram dintr-un element - "constanta lui Faraday".

Fizica clasica cuprinde ramurile fizicii datând de dinainte de "revolutiile" de la începutul secolului XX, datorate mecanicii cuantice si teoriei relativitatii. Fizica clasica, denumita si Fizica newtoniana, se defineste prin opozitie cu fizica moderna sau fizica secolului XX. Dezvoltari recente ale vechilor teorii din fizica se subsumeaza tot fizicii clasice, spre exemplu noi descoperiri în fizica fluidelor sau electromagnetism.

Un statut ambiguu îl au ramuri ale fizicii care deriva din discipline "clasice" dar prezinta aspecte calitativ noi. Un astfel de exemplu îl constituie teoria haosului ("chaos theory"), care reprezinta o extensie a mecanicii clasice, însa ale carei idei sunt chintesential moderne.

Mecanica cuantica (sau fizica cuantica) este o ramura fundamentala a fizicii teoretice care are numeroase aplicatii în fizica experimentala si care înlocuieste mecanica clasica si electromagnetismul clasic la nivel atomic si subatomic. Aceasta înlocuire se face în sensul ca mecanica cuantica reuseste sa descrie fidel multe fenomene desfasurate la nivelul particulelor elementare, fenomene pe care fizica newtoniana si electromagnetismul clasic nici nu le pot explica. Mecanica cuantica si teoria relativitatii generalizate formeaza bazele fizicii moderne.

Orice sistem fizic este un sistem cuantic, însa în mod practic, se poate considera ca în cazul obiectelor macroscopice proprietatile fizice sînt consecinta unei medieri statistice pe un numar imens de subsisteme, ceea ce face ca parametrii care descriu sistemele macroscopice sa varieze aparent continuu. Exista cîteva exceptii notabile de la aceasta regula: supraconductoarele, superfluidele si cîmpurile electromagnetice.

Fenomene cuantice

• Difractia particulelor
• Efectul tunel
• Întrepatrunderea starilor cuantice

Teorii

• Teoria Corzilor
• Teoria M

Efectul tunel rezulta din capacitatea unui obiect cuantic de a strabate o bariera de potential la scara atomica, fapt care ar fi imposibil dupa legile mecanicii clasice "strictu sensu". Acest fenomen poate fi explicat prin faptul ca functia de unda asociata unei particule, nu se anuleaza în zona barierei, ci se atenueaza în cele mai multe situatii de o maniera exponentiala în aceasta zona. Daca functia de unda nu devine matematic nula la iesirea din bariera, exista o probabilitate ca particula in chestiune sa traverseze aceasta bariera de potential. Aceasta probabilitate de traversare depinde de existenta unor stari cuantice accesibile pentru particula respectiva de o parte si de alta a barierei, precum si de întinderea zonei ocupate de bariera.

Întrepatrunderea cuantica (în engleza quantum entanglement) este un fenomen cuantic în care starile cuantice ale mai multor obiecte sunt cuplate. În sens matematic, functia de unda globala care descrie sistemul de obiecte nu poate fi redusa (factorizata) într-un produs de mai multe functii elementare independente corespunzând fiecare câte unui obiect individual, chiar daca obiectele respective sunt separate spatial.

• Teoria Corzilor este un concept ipotetic din fizica. Termenul provine din denumirea engleza "String Theory", care ar însemna Teoria Corzii sau poate si mai bine Teoria Corzilor. Deoarece un element esential în constructia modelului fizic este supersimetria, de multe ori Teoria Corzilor este redenumita Teoria Supercorzilor, dar în esenta ambele denumiri semnifica acelasi lucru.

• Pâna în prezent sunt cunoscute cinci modele viabile care nu au anomalii si care sunt consistente într-un spatiu fizic cu zece dimensiuni, una temporala si noua spatiale. Se crede ca aceste cinci teorii nu reprezinta altceva decât diverse manifestari ale Teoriei M (M-theory).

• În teoria stringurilor particulele elementare sunt alcatuite din stringuri (corzi sau sfori) aflate sub excitatie. Stringurile trebuie sa fie întinse sub tensiune, pentru a deveni excitate, dar aceste stringuri nu sunt prinse de un suport, ele plutesc in spatiu-timp. Tensiunea stringurilor este data de cantitatea , unde este egal cu patratul lungimii stringurilor. Daca teoria stringurilor este o teoria a gravitatii cuantice, atunci marimea medie a unui string trebuie sa fie aproximativa cu lungimea Planck, care este egala cu aproximativ 10^-33 cm.

• Stringurile pot fi inchise (sunt ca o bucata de sfoara sub forma de cerc) sau deschise (ca o bucata de sfoara), cele deschise se pot inchide si ele devenind inchise. Aceste stringuri interactioneaza unele cu altele in spatiu si timp rezultând particule elementare. Diferitele forme de interactiune dintre stringuri dau proprietatile fizice ale particulei.

• Pentru introducerea fermionilor in aceasta teorie trebuie sa existe o simetrie speciala numita supersimetria. Supersimetria înseamna ca pentru orice boson îi corespunde un fermion. Deci supersimetria face o legatura între bosoni si fermioni. Din pacate aceasta supersimetrie (cuplu boson-fermion) nu a fost observata in experimente efectuate în acceleratoare de particule (acceleratoare de particule: acceleratoare liniare, ciclotron, betatron).

Teoria M este o teorie supersimetrica si este consistenta într-un spatiu cu unsprezece dimensiuni. Limita de energii joase a Teoriei M este Supergravitatia unsprezece dimensionala.

Teoria M este ultima versiune la teoria corzilor. Conform vechii sase din cele zece dimensiuni sunt "înfasurate", noi putând observa doar universul 4-dimensional cu care suntem obisnuiti. Aceste extradimensiuni sunt "strânse" într-o regiune a spatiului (spatiu Calabi-Yau) prea mica pentru a putea fi vizibila. Teoria M vine cu ceva in plus: unele din aceste dimensiuni ar putea fi foarte mari, chiar infinite.

Istoric

TEORIA M - scurt istoric: de la atom la Big Bang

În anii 1920, fizicienii descopera particulele atomice si cerceteaza proprietatile acestora. Electronii insa le rezerva o surpriza: "cand cineva studiaza proprietatile atomilor, descopera ca realitatea este mai stranie decat si-ar fi inchipuit oricine. Particulele au intr-adevar posibilitatea, într-un anumit sens, de a fi în mai multe locuri odata." (Alan Guth, profesor la Institutul de Tehnologie din Massachusetts. Ce înseamna asta? Ca particulele nu exista doar în universul nostru, ci apar în alte universuri paralele cu al nostru. Alan Guth explica: "în esenta, tot ceea ce se poate întâmpla se întâmpla în una dintre alternative, ceea ce înseamna ca suprapus peste universul cunoscut este un univers alternativ unde Al Gore este presedinte si Elvis Presley este înca în viata."

Teoria stringurilor

Cu fiecare idee îndrazneata, cu fiecare concluzie fizicienii se apropiau de momentul descoperirii Teoriei tuturor lucrurilor, teorie care sa explice existenta întregului univers mic si mare. Albert Einstein a murit lasând succesorilor aceasta cautare care este de fapt miezul cercetarilor tuturor fizicienilor. Anii 80 aduc o schimbare radicala asa cum afirma Burt Ovrut, profesor la Universitatea din Pennsylvania: "S-a crezut înca de când a luat nastere fizica ca materia este facuta din particule. Acum ne-am schimbat acest punct de vedere. Acum credem ca materia este facuta din corzi mici." Asa a aparut teoria stringurilor care spune ca particulele sunt de fapt corzi mici invizibile, din care emana materia precum muzica din corzi: "daca o ciupesti (coarda) într-un anumit fel, obtii o frecventa anume, dar daca o ciupesti în alt fel, poti obtine mai multe frecvente, asa ai note diferite."(Burt Ovrut) Michio Kaku, profesor la City University din New York spune ca "universul este o simfonie, iar legile fizicii sunt armonii ale unei super-corzi."

Singularitate

Pentru ca Teoria stringurilor sa fie Teoria tuturor lucrurilor, ea trebuia sa explice nasterea universului, adica momentul Big Bang. Timp de zece ani fizicienii au cercetat posibilitatea celor doua de a se explica reciproc, de a se completa. Rezultatele însa erau dezastruoase, iar curând cele doua vor fi aproape de autodistrugere. Cercetatorii Big Bang-ului au ajuns prin extrapolare din ce în ce mai aproape de momentul crucial: mai întâi mai aproape cu un miliard de ani, apoi la momentul formarii primilor atomi, apoi când universul avea numai câteva sute de mii de ani pâna la momentul când universul numara câteva secunde de existenta. Aici fizicienii s-au confruntat cu o dificultate majora: "problema fundamentala a cosmologiei este ca legile fizicii asa cum sunt ele cunoscute sunt anulate în momentul Big Bang. Unii spun ce e rau în asta, ce e rau daca legile fizice se prabusesc? Pai, pentru un fizician este un dezastru. Toata viata ne-am dedicat faptului ca universul se supune unor legi cunoscute, legi care pot fi transcrise în limbajul matematicii, iar aici avem miezul universului însusi, o piesa care lipseste si care transcende legile fizice." (Michio Kaku) Momentul Big Bang mai este cunoscut si sub numele de singularitate cosmica ("cosmic singularity"), adica locul unde ecuatiile îsi pierd sensul.

Cinci Teorii ale stringurilor

Nici Teoria stringurilor ("corzilor") nu avea o soarta mai buna: din ce în ce mai multi cercetatori lucrau la ea, dar se întâmpla un lucru curios. Fizicienii au gasit a doua versiune la teoria initiala, apoi a treia si în curând aveau sa se trezeasca cu cinci teorii diferite ale stringurilor. Era limpede pentru toata lumea ca nu aceasta era mult-cautata Teorie a tuturor lucrurilor existente în Univers si ca nu avea sa dea nici o solutie problemelor nerezolvate. Chiar când comunitatea oamenilor de stiinta se pregatea sa dea uitarii Teoria stringurilor cu tot cu cele cinci versiuni ale sale, o alta idee a aparut: super-gravitatia ("super gravity"), notiune impusa discutiilor de Michael Duff, profesor la Universitatea din Michigan.

Super-gravitatia

Super-gravitatia se asemana foarte mult cu Teoria stringurilor: "se referea la numarul dimensiunilor în Univers. În mod normal credem ca traim într-o lume tridimensionala. Ne putem misca în trei directii: la dreapta sau la stânga, sus sau jos, înainte sau înapoi, dar fizicienilor le place sa adauge alte dimensiuni. Einstein a propus ca timpul sa fie a patra dimensiune. Apoi altcineva a propus a cincia si apoi a sasea. si numarul continua sa creasca. Dimensiunile aditionale erau spatii în Univers pe care nu le puteam percepe. Majoritatea erau microscopice, dar cercetatorii erau convinsi ca acestea exista." (Michael Duff) Conform Teoriei stringurilor erau exact 10 dimensiuni: 9 dimensiuni spatiale si una temporala. Teoria super-gravitatiei însa enumera 11 dimensiuni. Putini erau cei care credeau si promovau cele 11 dimensiuni, desconsiderati fiind de comunitatea cercetatorilor care reconsiderau universul pornind de la cadrul oferit de Teoria stringurilor: o coarda care vibreaza.

Teoria M

Super-gravitatia a avut însa ocazia sa-si ia revansa când fizicienii încercau sa salveze Teoria stringurilor: ei au adaugat a 11a dimensiune la cele 10, iar rezultatul a fost unul surprinzator. Cele cinci versiuni ale teoriei aflate în competitie unele cu celelalte s-au dovedit a fi variante ale aceleiasi teorii fundamentale care începea din nou sa aiba sens. Odata cu adaugarea celei a 11a dimensiuni, teoria s-a transformat astfel: stringurile, despre care se presupunea ca stau la baza materiei din Univers, s-au extins si s-au combinat. Concluzia extraordinara era aceea ca toata materia din Univers era conectata la o singura structura imensa: membrana. Aceasta noua teorie a primit numele Teoria M de la membrana si a impulsionat din nou cautarea explicatiei pentru toate lucrurile din Univers. Ce se stie însa despre a 11a dimensiune? S-a descoperit repede ca se lungeste la infinit, dar este foarte mica în latime, mai precis ea masoara un milimetru împartit la 10 cu 20 de zerouri, dupa cum spune Burt Ovrut. În acest spatiu misterios pluteste universul nostru membrana, iar în curând a aparut o noua idee, aceea ca la capatul opus al dimensiunii 11 se afla un alt univers-membrana care pulseaza.

Gravitatia

Lisa Randall de la Universitatea Harvard a fost cea care a deschis calea catre aceasta idee plecând de la gravitatie: "forta gravitationala este foarte slaba în comparatie cu celelalte forte. Daca te uiti în jur, spui ca gravitatia nu pare atât de slaba, dar daca stai sa te gândesti întregul Pamânt trage de tine si totusi poti sa ridici lucruri de pe sol." Lisa Randall explica aceasta ciudatenie prin prezenta dimensiunilor aditionale: gravitatia este la fel de puternica ca si celelalte forte (de exemplu: desi gravitatia actioneaza asupra unui simplu ac, daca actionam asupra acului cu un magnet mic, care se lipeste pe frigider, forta magnetica va învinge forta gravitationala), doar ca ea se scurge în aceste dimensiuni pe care nu le putem vedea. Ecuatia însa nu functiona din aceasta perspectiva. La auzul ideii ca s-ar putea sa existe alta membrana în dimensiunea 11, Randall a schimbat perspectiva asupra problemei gravitatiei si a gasit o alta solutie: gravitatia nu se scurgea din universul nostru spre alte dimensiuni, ci invers, din alte dimensiuni în universul nostru. si astfel s-a ajuns la o notiune mult timp ocolita de comunitatea stiintifica: universurile paralele.

Universurile paralele

Într-o clipa, cercetatorii au fost cuprinsi de frenezia universurilor paralele existente în a 11a dimensiune, care pareau sa rezolve probleme vechi de secole. si cum arata aceste universuri paralele? Fizicienii spun ca ele variaza în forme (de la binecunoscuta "doughnut"-gogoasa cu gaura la mijloc, pâna la "coli de hârtie"), dimensiuni si caracteristici: "într-un alt univers protonul poate sa fie instabil, caz în care atomii se pot dizolva, iar ADN-ul nu se poate forma si astfel în aceste universuri nu poate exista viata inteligenta. Poate ca este o lume de electroni si electricitate, poate un univers de fulgere si neutrini, dar fara materie stabila." (Michio Kaku). Dar daca doar pe o fractiune din aceste universuri se dezvolta viata, vom avea un numar infinit de universuri în care traiesc civilizatii.

Big Bang

Cercetatorii au ajuns iarasi la încercarea de a explica singularitatea ce a precedat Big Bang, de data aceasta cu ajutorul Teoriei M. În 2001, aceasta a suferit o transformare din partea lui Burt Ovrut. Desi pâna atunci se credea ca a 11a dimensiune este un loc pasnic în care universurile-membrana plutesc linistit, Burt Ovrut spune ca de fapt "universurile se misca prin dimensiunea 11 ca niste valuri imense puternice." El mai spune ca nu este atât de mult loc pentru toate universurile, asa ca daca ele se misca, atunci exista posibilitatea ca ele sa se loveasca unele de celelalte. De fapt, ele ori se departeaza una de cealalta, ori se lovesc. Urmatoarea întrebare logica este ce se întâmpla când universurile-paralele se lovesc? Raspunsul este dat de astronomul Neil Turok: "Big Bang este consecinta întâlnirii dintre doua universuri paralele." Universul nostru are însa în unele locuri concentrari de materie: stele, galaxii, quasari si alte aglomerari. Acestea se explica tot prin universurile paralele. Neil Turok spune ca acestea se misca precum valurile si tot ca valurile, suprafata lor nu este plata, ci se unduieste. Astfel, când universurile paralele se lovesc, ele nu se lovesc uniform pe toata suprafata si concomitent, ci în puncte diferite si la momente diferite în timp. Asa se explica nasterea universului în forma pe care o cunoastem noi, cu ajutorul Teoriei M.

Universuri multiple

Cea mai recenta notiune introdusa de cercetatori este cea a universului multiplu-"multiverse". Acesta "ar putea contine un numar infinit de universuri, fiecare cu legi diferite ale fizicii. Probabil ca în fiecare moment au loc Big Bang-uri. Universul nostru coexista cu alte membrane, alte universuri care sunt de asemenea în expansiune. S-ar putea ca universul nostru sa nu fie decât un balon plutind într-un ocean de alte baloane." (Michio Kaku) Fizicienii mai fac un pas înainte si îsi propun sa creeze un univers în laborator. Alan Guth spune ca momentul în care vom crea universuri în subsolul casei noastre nu este chiar atât de departe si de neconceput, iar ca procesul nu pune în pericol propriul univers.

Teoria relativitatii reprezinta în fizica moderna un ansamblu a doua teorii formulate de Albert Einstein: relativitatea restrânsa si relativitatea generala.

Ideea de baza a acestor doua teorii este ca timpul si distantele unui eveniment masurate de doi observatori au, în general, valori diferite, dar se supun totdeauna acelorasi legi fizice. Când doi observatori examineaza configuratii diferite, si anume deplasarile lor, una în raport cu cealalta, aplicând regulile logice, se constata ca legile fizice au în mod necesar o anumita forma.

Relativitatea restrânsa, formulata în 1905, s-a nascut din observatia ca transformarea care permite schimbarea unui sistem referetial, transformarea lui Galilei, nu este valabila pentru propagarea undelor electromagnetice, care sunt dirijate de ecuatiile lui Maxwell. Pentru a putea împaca mecanica clasica cu electromagnetismul, Einstein a postulat faptul ca viteza luminii, masurata de doi observatori situati în sisteme referentiale inertiale diferite, este totdeauna constanta (ulterior a demonstrat ca acest postulat este de fapt inutil, pentru ca viteza constanta a luminii deriva din formele legilor fizice).

Aceasta l-a condus la revizuirea conceptelor fundamentale ale fizicei teoretice, cum sunt timpul, distanta, masa, energia, cantitatea de miscare, cu toate consecintele care deriva. Astfel, obiectele în miscare apar mai grele si mai dense pe directia lor de miscare, pe când timpul se scurge mai lent la ceasurile aflate în miscare. O cantitate de miscare este acum asociata vitezei luminii, viteza luminii în vid devenind viteza limita atât pentru obiecte, cât si pentru informatii. Masa si energia devin echivalente. Doua evenimente care par simultane unui observator, apar în momente diferite altui observator care se deplaseaza în raport cu primul. Relativitatea restrânsa nu tine cont de efectele gravitatiei, elementul central al formularii ei matematice sunt transformarile lui Lorenz.

Relativitatea generala a fost formulata de Einstein în . Aceasta teorie utilizeaza formulele matematice ale geometriei diferentiale si a tensorilor pentru descrierea gravitatiei. Spre deosebire de relativitatea restrânsa, legile relativitatii generale sunt aceleasi pentru toti observatorii, chiar daca acestia se deplaseaza de o maniera neuniforma, unii fata de ceilalti.

Relativitatea generala este o teorie geometrica, care postuleaza ca prezenta de masa si energie conduce la "curbura" spatiului, si ca aceasta curbura influenteaza traiectoria altor obiecte, inclusiv a luminii, în urma fortelor gravitationale. Aceasta teorie poate fi utilizata pentru construirea unor modele matematice ale originei si evolutiei Universului si reprezinta deci unul din instrumentele cosmologiei fizice.

Electromagnetismul este acea ramura a fizicii care studiaza sarcinile electrice si magnetice, câmpurile create de acestea (electric si magnetic), legile care descriu interactiunile dintre acestea.

Efectul magnetic al curentului electric

Ramurile principale ale electronagnetismului sunt:

• Electrostatica, care se ocupa cu studiul sarcinilor electrice aflate în repaus si al câmpurilor generate de acestea.
• Electrodinamica, care se ocupa cu studiul sarcinilor aflate în miscare, precum si al câmpurilor generate de acestea.
• Magnetismul, care se ocupa cu studiul câmpului magnetic.

În cadrul fizicii, dualitatea unda-corpuscul se refera la faptul ca materia prezinta simultan proprietati corpusculare si ondulatorii. Este vorba despre un concept central al mecanicii cuantice care a înlocuit teoriile clasice asupra naturii materiei. Anumite fenomene pun in evidenta caracterul ondulatoriu (interferenta, difractia, polarizarea), pe când altele demonstreaza caracterul corpuscular al materiei (emisia si absorbtia luminii, efectul fotoelectric, efectul Compton). Bazându-se pe studiul acestor fenomene, teoriile clasice propuneau modele în care un obiect era considerat fie o particula, fie o unda.

Scurt istoric

În formalismul clasic, lumina era considerata unda electromagnetica, prezentând fenomene ondulatorii cum ar fi interferenta, difractia, polarizarea. Odata cu descoperirea efectului fotoelectric în 1887 de catre Heinrich Rudolf Hertz, a fost necesara introducerea unei noi teorii care sa justifice fenomenul, întrucât cea clasica era în contradictie cu rezultatele experimentale.

În 1905, Albert Einstein explica legile efectului fotoelectric presupunând ca lumina este alcatuita din particule (numite fotoni) si aplicând ipoteza lui Planck, conform careia energie este cuantificata.

Louis de Broglie a extins teoria lui Einstein, sustinând ca orice particula în miscare are asociata o unda. Teza lui de doctorat este publicata în anul 1924, dar el primeste premiul Nobel abia în 1929, dupa ce teoria sa este verificata experimental.

Ipoteza lui de Broglie

Louis de Broglie afirma ca orice particula aflata în miscare (electron, proton, atom) are si o comportare ondulatorie. El stabileste relatia între lungimea de unda asociata si impulsul al particulei:

unde

• reprezinta constanta lui Planck;
• este masa particulei;
• este energia totala a particulei;
• reprezinta energia potentiala a particulei.

În relatia lui de Broglie intervin atât marimi specifice corpusculilor (cum ar fi energia si impulsul) precum si marimi caracteristice undelor (frecventa, lungimea de unda).

Dovezi experimentale

Noile teorii au fost cu greu acceptate de comunitatea stiintifica. Experimentele ulterioare au demonstrat, însa, corectitudinea acestor ipoteze.

Efectul fotoelectric extern

Efectul fotoelectric este un fenomen fizic în care se manifesta natura corpusculara a luminii. El consta în emisia electronilor de catre un corp aflat sub actiunea radiatiilor electromagnetice. Pentru explicarea lui, Einstein a presupus ca fotonii din care este alcatuita lumina ciocnesc atomii din substanta respectiva, fiecare foton incident eliberând câte un electron. Scriind legea de conservare a energiei, se pot deduce legile empirice obtinute în studiul acestui efect. Relatia este cunoscuta sub numele de legea lui Einstein:

unde

• reprezinta constanta lui Planck;
• este freventa fotonului incident;
• este energia fotonului incident, exprimata conform ipotezei lui Planck.
• este lucrul mecanic de extractie a electronului din substanta;
• este energia cinetica a electronului liber.

Razele-X

Materia, noi si tot ceea ce ne inconjoara, este alcatuita din spatii goale. Chiar si o roca este alcatuita din spatii, aceasta se datoreaza faptului ca materia este alcatuita din atomi. Un atom este alcatuit dintr-un invelis electronic format din electroni (cu sarcina electrica negativa) care orbiteaza in jurul unui nucleu, compus si el la randul lui din protoni (sarcina electrica pozitiva, egala cu cea a electronilor) si neutroni (fara sarcina electrica). Proportia dintre nucleu si invelis electronic este egala cu cea a unui graunte de nisip in centrul unui stadion de fotbal.

Nucleul detine mai mult de 99,9% din masa atomului, si totusi are un diametru de doar 1/100000-a parte din invelisul electronic. Electronii nu ocupa mult loc, insa traiectoria orbitei lor defineste marimea atomului, care este in proportie de 99.9999999999999% vid!

Ceea ce credem noi ca atingem este doar rezultatul semnalelor nervoase din corpul nostru, deoarece distanta minima la care ne putem apropia de un obiect este de un Ångstrom (Å). Cum ar arata materia daca nu ar fi "goala", daca am putea sa frangem invelisul electronic la dimensiunea nucleului? Sa presupunem ca am putea genera o forta destul de mare incat sa zdrobim "golul" din atomii unei roci de dimensiunea unui teren de fotbal. Stanca ar pute fi redusa la dimensiunea unui fir de nisip si totusi sa cantareasca 4 milioane de tone!

Surse de raze-X

Sistemul solar- Atmosfera externa a Soarelui este o sursa de raze-X.

Stele - Atmosfera fierbinte sau corola stelelor normale produc si ele raze-X. Observatiile razelor-X sunt folositoare la intelegerea activitatii stelelor in evolutia lor.

Stelele Pitice Albe- Acestea sunt dense, resturi arse ale unor stele cum ar fi Soarele. Ele s-au format in urma consumarii combustbilului nuclear.

Supernove si ramasite ale acestora - Cand o stea explodeaza si se transforma intr-o supernova, explozia creeaza un nor in care se pot atinge valori de mai multe milioane de grade care straluceste in raze-X timp de mii de ani. Observatiile razelor-X pot dezvalui dinamica exploziei si elementele grele prezente in norul rezultat.

Stelele neutronice- Cand o stea masiva devine o supernova, ea poate lasa in urma sa ramasite dense numite de specialisti "stele neutronice". Stelele neutronice tinere trimit in afara lor particule cu energii care pot trimite raze-X timp de mai multe mii de ani.

Gaurile negre-Cand stea moarta are masa mai mare decat trei sori, aceasta formaeaza o gaura neagra in spatiu. Telescoapele pentru observarea razelor-X ne dau o imagine asupra materiei supraincalzite care se misca in jurul gaurilor negre.

Galaxiile - Observatiile prin raze-X a galaxiilor normale au revelat calduroasa, energetica parte a caracterului unei galaxii prin localizarea stelelor neutronice, ramasitele supernovelor si ale gaurilor negre.

Galaxii active si Quasari - Galaxiile active duc o "viata" violenta, de obicei in centrul acestora. Aceasta activitate se datoreaza unei gauri negre uriase din centrul acestora sau o coliziune cu o alta galaxie sau ambele. Quasarii sunt exemple extreme de galaxii active.

Un fundal radioactiv- Cerul observat in raze-X nu este intunecat, ci este slab luminat, lumina in raze-X care vine de la multe surse indepartate.

Absorbtia de raze-X

Absorbtia acestora de catre atmosfera Pamantutui este impartita pe mai multe strauri atmosferice. Absorptia se face in urmatorul mod:

Fotonii razelor-X-particule minuscule incarcate cu energie electromagnetica puternica-sunt absorbiti de orice intalnesc in cale si care este compus din atomi. Cantitatea de radiatii se imputineaza trecand prin ionosfera si prin stratul de ozon.

Ce se intampla cand razele-X sunt absorbite in atmosfera?

Energia unei unde X incearca sa deplaseze un electron de la orbita lui din jurul unui atom de oxigen.acest proces se numeste absorbrtia foto-electrica, deoarece un foton este absorbit in procesul inlaturarii electronului de la atom.

Telescoapele pentru observarea razelor-X de deasupra Pamantului pot colecta radiatii de tip X de la surse care se afla la miliarde de ani lumina departare. Aceste radiatii-X de provenienta cosmica sunt focalizate de o oglinda concava si redirectionate spre un aparat de masura a intensitatii si proprietatilor cum ar fi directia din care vin si energia razelor-X. Un material solid sau gazos din interiorul aparatului absoarbe aceste raze sub efectul foto-electric.

Semiconductorii si Laserul

Scurt istoric. Introducere in problematica LASER.

Despre efectul LASER se cunosc deja foarte multe. Aceasta ramura a stiintei s-a dezvoltat foarte mult de la inceputurile sale (1955-1965) si pana in ziua de astazi. Desi bazele teoretice erau mai mult sau mai putin stabilite, primii care reusesc sa concretizeze toate teoriile si presupunerile au fost doi rusi si un american.

In ordine sunt prezentati Charles H. Townes (Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA, USA; nascut in 1915), Nicolay Gennadiyevich Basov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; nascut in 1922) si Aleksandr Mikhailovich Prokhorov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; nascut in 1916). Cei trei au impartit premiul Nobel atribuit in 1964 pentru "cercetarile fundamentale in domeniul electronicii cuantice care au condus la construirea oscilatoarelor si a amplificatorilor bazati pe principiul maser-laser".

Partea teoretica este usor de gasit in majoritatea manualelor, cursurilor si compendiilor de fizica existente asa ca lucrarea de fata nu se va concentra asupra acestui aspect. Principiul LASER consta in faptul ca atomii elibereaza energie sub forma de fotoni atunci cand parcurg tranzitia de pe un nivel de excitare metastabil spre un nivel de echilibru. Aceasta tranzitie se face sub influenta unui factor declansator si de aceea emisia de energie se numeste emisie stimulata sau emisie indusa. Odata pornita reactia aceasta se propaga sub forma piramidala astfel, un foton emis de un atom dezexcitat va declansa reactia la altul, acesta la randul lui va emite un foton si il va elibera si pe cel incident. Avem doi fotoni care se vor inmulti exponential. Astfel se produce o amplificare a radiatiei luminoase.

Realizarea practica a dispozitivelor LASER. Tipuri de laser.

Partile constituente ale unui laser sunt : mediul activ, sistemul de excitare si rezonatorul optic. Partea esentiala a unui dispozitiv laser o constituie mediul activ, adica un mediu in care se gasesc atomii aflati intr-o stare energetica superioara celei de echilibru. In acest mediu activ se produce amplificarea radiatiei luminoase (daca avem o radiatie luminoasa incidenta) sau chiar emisia si amplificarea radiatiei luminoase (daca nu avem o radiatie luminoasa incidenta). Sistemul de excitare este necesar pentru obtinerea de sisteme atomice cu mai multi atomi intr-o stare energetica superioara. Exista mai multe moduri de a realiza excitarea atomilor din mediul activ, in functie de natura mediului. Rezonatorul optic este un sistem de lentile si oglinzi necesare pentru prelucrarea optica a radiatiei emise. Desi la iesirea din mediul activ razele laser sunt aproape perfect paralele rezonatorul optic este folosit pentru colimarea mult mai precisa, pentru concentrarea razelor intr-un punct calculat, pentru dispersia razelor sau alte aplicatii necesare.

Dupa natura mediului activ deosebim mai multe tipuri de laser. Printre acestea regasim laserul cu rubin, la care distingem bara de rubin tratat drept mediul activ iar ansamblul sursa de lumina plus oglinzi poarta rolul de sistem de excitare. Laserul cu gaz foloseste amestecuri de gaze rare (He, Ne, Ar, Kr) sau CO2 drept mediu activ si o sursa de curent electric legata la doi electrozi iau rolul de sistem de excitare.

LASER-ul cu semiconductori. Aprecieri teoretice.

Laserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de laser tot pe sablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. In acest caz un amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se folosesc combinatii de metale din aceleasi perioade ale grupelor IIIa si Va. Dintre acestea semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost obtinute atat din amestecuri ale elementelor grupelor IIa si Via (Zinc si Seleniu - ZnSe) cat si din amestecuri de trei sau patru elemente. Ultimele doua sunt mai ades folosite pentru emisia unor radiatii mult mai precise din punct de vedere al lungimii de unda. Sistemul de excitare este constituit din doua straturi de semiconductori, unul de tip p si unul de tip n. Pentru a intelege mai bine aceste doua notiuni trebuie amintite cateva considerente teoretice cu privire la fizica solidului, in special principiul semiconductorilor.

Semiconductorii sunt o clasa de materiale larg folosita in electronica datorita posibilitatii controlului proprietatilor electrice. Rezistivitatea electrica a unui semiconductor scade odata cu cresterea temperaturii iar valoarea ei poate fi modificata in limite foarte largi (10^-2 - 10⁸ W cm). Intr-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrica este data de electronii proprii, numita si conductibilitate intrinseca, iar in cazul materialelor impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinseca. Conductibilitatea intrinseca poate fi explicata pe scurt astfel. La 0K, electronii sunt asezati in legaturile covalente formate intre atomii semiconductorului intrinsec. Odata cu cresterea temperaturii unii electroni se rup din legaturi fiind liberi sa circule in tot volumul cristalului. Se produce un fenomen de ionizare, iar in locul electronului plecat ramane un gol. Imediat el se ocupa cu un alt electron alaturat, golul se deplaseaza o pozitie. Daca aplicam un camp electric in semiconductor, electronii liberi se vor misca in sens invers campului, dar si golurile vor forma un curent pozitiv de acelasi sens cu campul. Cel mai interesant fenomen il reprezinta modificarea spectaculoasa a rezistivitatii electrice a semiconductorilor prin impurificare. Astfel, daca din 10⁵ atomi de Siliciu unul este inlocuit cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei, de 1000 de ori !!! Impurificare reprezinta o problema specifica si fundamentala a fizicii si tehnologiei semiconductorilor. Daca impurificam Germaniul (grupa IVa, patru electroni de valenta) cu un element din grupa a 5-a (cinci electroni de valenta) vom obtine un amestec cu un electron de valenta liber. Aceasta impuritate constituie un donor. Semiconductorul astfel impurificat este de tip n, iar nivelul sau de energie este mai aproape de zona de conductie. Daca impurificarea este facuta cu atomi din grupa a 3-a (trei electroni de valenta), acesta se va integra in reteaua cristalina cu doar trei legaturi covalente, ramanand, deci, un gol capabil de a captura electroni in jurul atomului trivalent. Din aceasta cauza atomii acestui tip de impuritati au primit numele de acceptori. Intr-un semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde numele de semiconductor de tip p. Jonctiunile p - n sunt ansambluri formate prin alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n . Zona de separare, interfata, are marimi de ordinul 10^-4 cm. La suprafata semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la suprafata semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinta de compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor la celalalt.

Laserul cu semiconductori. Construire. Consideratii practice.

Revenind la laserul cu semiconductori, avand stabilita o baza teoretica minimala putem trece la detalierea practica a principiilor enuntate anterior.

Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi de semiconductori la care se adauga elementele sistemului de excitare. La acest tip de laser energia necesara excitarii sistemului de atomi din mediul activ cat si factorul declansator sunt date de curentul electric care se aplica, conform figurii. Datorita faptului ca acest sandwich corespunde modelului clasic de dioda, de aici incolo se va folosi si termenul de dioda.

Randamentul unei astfel de diode este in jurul a 30% dar amplificarea este destul de mare. Curentul necesar trebuie sa aiba o densitate de cateva mii de amperi pe centimetru dar avand in vedere ca o dioda laser are marimi foarte mici, curentul necesar este adesea sub 100mA. Pentru a obtine rezultate satisfacatoare, in practica se folosesc mai multe straturi decat se prezinta in figura. Cat priveste stratul activ, lungimea lui nu depaseste 1 mm, iar grosimea sa este, in functie de model, de la 200 pana la 10 nm. In general grosimea stratului activ variaza intre 200 si 100 nm. Datorita faptului ca este atat de subtire, fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) si astfel laserul cu semiconductori se bazeaza foarte mult pe rezonatorul optic ce trebuie ales cu mare grija si trebuie pozitionat foarte precis pentru a obtine performante maximale. De obicei un sistem format din doua lentile plan-convexe pozitionate cu fetele convexe una spre cealalta la anumite distante calculabile este suficient pentru a obtine un fascicul destul de bine colimat cu razele aproape perfect paralele.

Din desenul de mai sus se poate observa ca emisia laser se face in doua directii. Acest fenomen este tratat in mod diferit in functie de necesitati. Se poate crea o cavitate rezonanta prin pozitionarea unei oglinzi perfecte si a uneia semitransparente, se poate folosi emisia "din spate" pentru a masura proprietatile fasciculului principal, se poate folosi aceeasi emisie din spate pentru a masura si controla curentul ce trece prin dioda. Diodele laser sunt foarte sensibile la curenti si de aceea controlul strict asupra acestora este absolut necesar. Uneori este necesara doar o variatie mica a tensiunii sau a puterii si dioda se va arde. Mai jos este un prezentat un montaj clasic de dioda cu posibilitate de control a curentului:

Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser. Faptul ca stratul activ are, de fapt, marimea unei bacterii este cel ce sta la baza afirmatiei anterioare. Acest strat poate fi usor distrus prin supunerea la curenti neadecvati, prin influente electrostatice, prin incalzire excesiva. Stratul activ se poate autodistruge chiar si fara prezenta vre-unuia din factorii enumerati mai sus. Simpla emisie a luminii poate vaporiza acest strat minuscul daca lumina emisa este prea puternica.

O dioda, desi minuscula, poate dezvolta puteri ale luminii de pana la 3-5 mW. Desi sunt mai rare si mult mai scumpe, diodele ce dezvolta zeci de mii de mW exista si se gasesc in inscriptoarele de CD si in alte instrumente si aparate de profil. In ceea ce priveste divergenta fasciculului, in prezent, majoritatea pointerelor reusesc performanta de a pastra divergenta la sub un mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori acoperit de laserii cu semiconductori este in zona rosie 630-780 nm dar nu este limitat numai aici.

Laseri verzi sau chiar albastri exista si sunt intens cercetati. Problema este ca diodele de verde si albastru au o viata efemera (cele mai performante ating doar cateva sute de ore) si functioneaza la temperaturi scazute (apropiate de 0K). Fata de clasicul GaAs (care emite in rosu-IR), pentru laserii albastri se prefera ZnSe si GaN. Primul a fost exclus treptat din cercetari datorita rezistivitatii mari, consumului mare de energie, randamentului mic si a multor altor factori descoperiti experimental. Ultimele cercetari s-au concentrat pe GaN, iar de cand prof. Shuji Nakamura a realizat primul montaj practic si fiabil pentru generarea laserului albastru, cercetarile au luat amploare. Un fapt inedit, la data realizarii diodei pentru laserul albastru, in 1993, Shuji Nakamura nu avea nici macar un doctorat in buzunar, era doar un simplu cercetator pierdut intr-un laborator al unei firme japoneze obscure. Recent, prof. Nakamura s-a alaturat colectivului profesoral de la Colegiul de Inginerie al Universitatii Californiene din Santa Barbara, SUA.

Revenind la laserii uzuali, trebuie mentionate si o serie de pericole ce pot apare chiar si pe langa laserii cu semiconductori care sunt cunoscuti a fi mai putin puternici. S-a calculat ca o dioda obisnuita are o putere mult mai mare chiar si decat a soarelui la ecuator. Toate amestecurile din stratul activ au o putere de emisie mult mai mare decat a aceleiasi cantitati de suprafata solara. Diodele prezente pe piata fac parte din clasele II si IIIa, ceea ce inseamna ca prezinta risc scazut de vatamare la operarea conforma cu manualul si la expunerea fugara, efemera a ochiului in raza laser. Totusi, trebuie avut in vedere ca orice expunere indelungata produce vatamari punctiforme ale retinei si nu este nevoie de efecte immediate pentru ca retina sa fie vatamata. Regula numarul unu in lucrul cu laserii, nu se priveste direct in raza laser chiar daca nu se simte nici o durere sau chiar daca raza este palida. CULOAREA SI STRALUCIREA RAZELOR LASER NU AU NICI O LEGATURA CU PUTEREA RADIATIEI. Aceste doua proprietati sunt date de lungimea de unda a radiatiei care nu influenteaza in mod decisiv puterea laserului. Pot exista laseri cu o culoare roz palida care sa fie mai nocivi decat cei mai aprinsi si rosiatici laseri. Intre "laseristi" exista o gluma: "Regula numarul unu in lucrul cu laserii: Nu te uita niciodata direct in raza laser cu unicul ochi ramas intreg !".

Utilizarea laserilor cu semiconductori. Aspecte pozitive si negative ale acestei tehnologii.

Diodele sunt larg raspandite. Faptul ca sunt ieftin de produs, usor de folosit si foarte ieftin de folosit duce la producerea lor in masa si includerea lor in cele mai multe aparate electronice ce au nevoie de laseri.

Lecturatoarele de cd, fie ele CD-ROM-uri sau CD-playere, sunt toate prevazute cu diode laser. Playerele DVD au, deasemenea, diode laser, doar ca acestea emit fascicule mult mai fine. CD-Writer-ele si CD-ReWriter-ele folosesc diode ce emit laseri apropiati de IR (800 nm) si puteri de cativa W. Aceleasi diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt prezente si in imprimantele cu laser. Alte produse care folosesc laseri emisi de diode sunt cititoarele de coduri de bare (Bar-Code Readers), unele Scannere, Pointerele etc. Poate cel mai important folos, dupa CD/DVD-playere, este cel adus in comunicatiile prin fibra optica. In cadrul fiecarui emitator pe fibra optica se afla o dioda laser. Mai nou s-a inceput folosirea diodelor si in medicina si in holografie. Diodele nu sunt folosite in aplicatiile militare (Radar, ghidare rachete, transmisiuni de date prin eter etc.), aplicatiile astronomice (distante cosmice si determinari de compozitii), efectele speciale de anvergura si holografia de mare intindere datorita puterii limitate relativ mici pe care o dezvolta.

Concluzii.

Laserul cu semiconductori este o alternativa ieftina si fiabila la laserii cu gaz. Marimile reduse, costurile mici de fabricatie si utilizare cat si longevitatea lor confera diodelor atuuri importante in "lupta" cu celelalte dispozitive de emisie laser. Singurele dezavantaje fiind puterile relativ mici si fragilitatea, diodele sunt si vor fi cercetate extensiv pentru a fi imbunatatite. Pentru noi este important sa intelegem cum functioneaza un astfel de dispozitiv, la ce este folosit si incotro se indreapta cercetarile pentru a ne familiariza inca de pe acum cu acest tip de laser pe care il vom intalni din ce in ce mai des in viata noastra de zi cu zi. Este important sa cunoastem pericolele pe care le aduce cu sine o dioda laser precum si factorii care pot perturba buna functionare a acesteia pentru a sti cum sa ne aparam si cum sa o protejam.

Laserul cu semiconductori este un domeniu ale carui orizonturi abia acum ni se deschid, cu un viitor sigur si cu implicatii puternice in viata de zi cu zi.

GAURILE NEGRE

Gaurile negre sunt obiecte atât de masive si dense încât atractia lor gravitationala nu lasa nici lumina sa scape.

Daca miezul lasat în urma de catre explozia unei supernove are masa mai mare decât cea a soarelui nostru, forta care tine laolalta neutronii nu este suficient de mare ca sa poata echilibra forta gravitationala proprie. Miezul continua sa se stinga. În momentul în care masa miezului este suficient de concentrata, forta gravitationala a acestuia este imensa.

Aceasta forta nu se poate explica în fizica clasica si astronomii folosesc teoria relativitatii a lui Einstein ca sa explice comportamentul luminii si al materiei fata de aceasta imensa forta gravitationala.

Potrivit relativitatii generale, spatiul din jurul miezului este atât de puternic curbat încât atrage si lumina. O stea de zece ori mai mare decat soarele nostru se poate transforma intr-o gaura neagra doar daca se comprima pâna la un diametru de aproximativ 90 km sau chiar mai putin.

Presupunerile astronomilor spun ca mijlocul galaxiei noastre este o gaura neagra imensa.

Pe întelesul tuturor, o gaura neagra este o regiune din spatiu care are atât de multa masa concentrata în ea încât nici un obiect din apropiere nu poate scapa de atractia ei gravitationala. Având în vedere ca cea mai buna teorie despre gravitatie pe care o avem în acest moment este Teoria generala a relativitatii a lui Einstein, trebuie sa folosim niste rezultate ale ei pentru a întelege gaurile negre mai în detaliu. Dar sa începem mai usor, gândindu-ne la gravitatie sub circumstante destul de simple.

Sa presupunem ca ne aflam pe suprafata unei planete. Aruncam o piatra pe directie verticala. Presupunând ca nu o aruncam prea tare, ea se va ridica un pic, dar pâna la urma acceleratia datorata gravitatiei planetei o va face sa cada din nou. Daca aruncam piatra destul de tare am putea s-o facem sa scape total de gravitatia planetei. Se va ridica la nesfârsit. Viteza cu care aruncam o piatra pentru ca ea sa scape de atractia gravitationala a planetei se numeste viteza de evadare. Dupa cum probabil v-ati dat seama viteza de evadare depinde de masa planetei: daca o planeta este extrem de masiva, atunci gravitatia ei este foarte puternica, deci viteza de evadare este foarte mare. O planeta mai usoara va avea o viteza de evadare mai mica. Viteza de evadare depinde de asemenea de distanta la care ne aflam de centrul planetei: cu cât suntem mai aproape, cu atât mai mare viteza de evadare. Viteza de evadare a Pamântului este de 11,2 km/s, în timp ce aceea a Lunii este de doar 2,4 km/s.

Acum sa ne imaginam un obiect cu o concentratie enorma de masa într-o atât de mica raza încât viteza de evadare este mai mare decât viteza luminii. Deci, cum nimic nu poate merge mai repede decât lumina, nimic nu poate scapa din câmpul gravitational al obiectului. Chiar si lumina va fi trasa înapoi de gravitatie si nu va fi în stare sa scape.

Ideea unei concentratii de masa atât de densa încât nici lumina nu poate scapa dateaza înca din timpul lui Laplace în secolul XVIII. Aproape imediat dupa ce Einstein a dezvoltat relativitatea generala, Karl Schwarzschild a dat solutia ecuatiei matematice care descria un astfel de obiect. Abia mult mai târziu, prin , datorita muncii lui Robert Oppenheimer, Volkoff si Snyder, oamenii s-au gândit ca acest tip de obiecte chiar exista in Univers. Acesti cercetatori au aratat ca atunci când o stea suficient de masiva ramâne fara combustibil, nu mai e în stare sa reziste împotriva propriei atractii gravitationale, si colapseaza într-o gaura neagra.

În relativitatea generala, gravitatia este o manifestare a curburii spatiu-timp. Obiectele masive distorsioneaza spatiul si timpul, astfel încât regulile uzuale ale geometriei nu se mai aplica. Lânga o gaura neagra, distorsiunea spatiu-timpului este foarte severa si din aceasta cauza gaurile negre au niste proprietati foarte ciudate. O gaura neagra are ceva ce se cheama 'orizontul evenimentului' sau Raza Schwarzschild. Acesta este o suprafata sferica ce marcheaza granita gaurii negre. Poti "intra" în gaura prin acest orizont, dar nu mai poti iesi niciodata. De fapt, odata ce ai trecut de orizontul evenimentului, esti condamnat sa te apropii din ce in ce mai mult de 'punctul de singularitate' din centrul gaurii negre. S-a estimat ca punctul de singularitate este "traducerea" unei forte gravitationale care tinde, ca si valoare, spre infinit.

Ne putem imagina orizontul evenimentului ca fiind locul unde viteza de evadare este egala cu viteza luminii. În afara acestui orizont, viteza de evadare este mai mica decat viteza luminii, deci daca turati motorul îndeajuns, puteti scapa de atractia gravitationala. Dar daca va aflati în interiorul orizontului, oricât de puternic ar fi motorul tot nu veti scapa.

Raza Schwarzschild are niste proprietati geometrice foarte ciudate. Pentru un observator care sta nemiscat la distanta mare de gaura neagra, orizontul pare a fi o suprafata sferica frumoasa si statica. Dar odata cu apropierea de orizont, ne dam seama ca are o viteza foarte mare. De fapt se misca spre exterior, relativ la singularitate, cu viteza luminii! Asta explica de ce e usor sa treci orizontul spre interior, dar e imposibil s-o faci în directia opusa.

Orizontul e static, dar dintr-un anumit punct de vedere el poate fi considerat ca fiind în miscare. Mai plastic spus el trebuie sa fuga atât de repede numai ca sa ramâna pe loc. Odata intrat în orizont spatiu-timpul este distorsionat atât de mult încât coordonatele care descriu distanta radiala si timpul îsi schimba rolurile.

Adica "r", coordonata care arata cât de departe suntem de centru, devine o coordonata asemanatoare timpului, iar "t" devine asemanatoare spatiului. O consecinta a acestui fapt este aceea ca nu te poti opri din miscarea spre un "r" din ce în ce mai mic, la fel cum în circumstante obisnuite nu te poti opri din mersul spre viitor (adica spre valori din ce în ce mai mari ale lui t).

În final, ne vom lovi de singularitate la r=0. Am putea încerca s-o evitam, turând motorul, dar e inutil: indiferent de directia în care mergi nu-ti poti evita viitorul. Încercarea de a evita singularitatea, odata trecut orizontul evenimentului, e la fel ca si cum ai încerca sa eviti ziua de mâine.

Numele "gaura neagra" a fost inventat de John Archibald Wheeler, si s-a încetatenit datorita faptului ca are mai mult "lipici" decât celelalte dinaintea lui. Înaintea lui Wheeler, aceste obiecte erau uneori denumite "stele înghetate"

LUMINA

Lumina este stimulul care actionînd asupra retinei din ochi produce la omul sanatos senzatia vizuala. Din punct de vedere fizic, lumina este o radiatie electromagnetica; pentru a fi perceputa de om ea trebuie sa aiba anumite caracteristici: frecventa trebuie sa fie cuprinsa între limitele sensibilitatii vizuale ale receptorilor fotosensibili din retina, iar intensitatea trebuie sa depaseasca pragul de sensibilitate al acestora. În sens larg se poate folosi termenul de "lumina" si pentru radiatii electromagnetice invizibile pentru om, ca de exemplu lumina infrarosie sau cea ultravioleta. Lumina împreuna cu temperatura face parte din factorii ecologici.

Atît lumina provenind direct de la o sursa de lumina cît si cea transmisa, reflectata, împrastiata sau difractata de diferite corpuri are pentru ochiul uman o serie de caracteristici, printre care:

• intensitate luminoasa, determinata de puterea transportata de radiatie si de sensibilitatea retinei;
• culoare, determinata de spectrul radiatiei incidente pe retina;
• polarizare, determinata de planul de oscilatie al undelor electromagnetice;

Caracteristici fizice ale luminii

Undele electromagnetice, deci si lumina vizibila, se compun dintr-un cîmp electric si unul magnetic, orientate perpendicular unul pe celalalt, amîndoua variabile în timp si spatiu, si care se genereaza reciproc. Variatia acestor cîmpuri este în general periodica atît în timp cît si în spatiu; perioada de repetare temporala a oscilatiilor este inversul matematic al frecventei cîmpului electromagnetic respectiv; perioada spatiala este numita lungime de unda. Aceste doua caracteristici sînt legate între ele prin intermediul vitezei de propagare a undei (v. viteza luminii). Frecventa undelor electromagnetice nu depinde de mediul în care se propaga acestea. În schimb, lungimea de unda depinde de viteza de propagare a undei într-un mediu dat, astfel încît aceeasi unda trecînd dintr-un mediu în altul va suferi variatii ale lungimii de unda, conform relatiei:

,

unde este viteza de propagare a undei în mediul respectiv. Cînd se descrie o radiatie electromagnetica prin lungimea sa de unda trebuie deci precizat si mediul în care se propaga unda; în lipsa acestei precizari se va subîntelege ca este vorba de lungimea de unda în vid. Aceasta este aproximativ egala cu lungimea de unda în aer, cu o eroare acceptabila în multe situatii practice,

Undele electromagnetice reale se pot descompune în unde elementare, cu urmatoarele caracteristici:

• frecventa: aceasta frecventa unica determina în cazul luminii vizibile culoarea perceputa de ochi. Culorile undelor elementare sînt pure, si niciodata nu se întîlnesc în natura. Lumina produsa de laseri, cea obtinuta prin separarea luminii albe în culorile componente, cea obtinuta cu ajutorul unor filtre, sînt exemple de lumina care doar se apropie de undele monocromatice ideale. Dispozitivele de reproducere a culorilor (ecranul de televizor color, tipariturile color, etc.) nu pot reda culori de o asemenea puritate.

• amplitudine: aceasta este o masura a variatiei cîmpurilor electric si magnetic care alcatuiesc unda. Este de asemenea legata de stralucirea aparenta a unei surse de lumina. Trebuie precizat totusi ca ochiul nu este la fel de sensibil la toate culorile, si este insensibil în afara spectrului vizibil. Culori care par sa aiba aceeasi intensitate vizuala pot avea intensitati fizice foarte diferite.

• polarizare: vectorul cîmpului electric si cel al cîmpului magnetic sînt perpendiculare atît unul pe celalalt cît si pe directia de propagare a undei electromagnetice. Dar chiar si cu aceasta limitare mai este permis un grad de libertate, de rotatie a celor doi vectori în jurul directiei de propagare. Daca fata de un anumit sistem de axe de coordonate vectorul cîmpului electric este de exemplu vertical, spunem ca lumina respectiva este polarizata vertical. În mod obisnuit ochiul nu este sensibil la polarizarea luminii, dar exista experimente optice simple prin care aceasta se poate pune în evidenta.

Bibliografie

D.Ciobotaru si colectivul, Manual de fizica, clasa a XII-a, EDP, Bucuresti, 1997

I.Bunget si colectivul, Compendiu de fizica pentru admiterea in invatamantul superior, Ed. Stiintifica, Bucuresti, 1971

Richard P. Feynmann,Fizica Moderna, vol III, Editura Tehnica, Bucuresti 1970

Arach T&A Corp., Laser Theory, Internet, 1999

, Semiconductor Laser Diodes, Internet

Power Technology, Inc., Advantages of Semiconductor Laser Diodes, Internet, 1998-1999

Sam Goldwasser, Sam Goldwasser's Lasers Frequently Asked Questions, Internet, 16 Martie 2000

Web Science Resources, Laser Tutorial- Laser Diode, Internet, 1997

University of California - Santa Barbara press release, 1999

1964 Nobel Prize Winners, Nobel Prizes, Internet 2000

wikipedia.ro , eFizica.ro.