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mulations of the FitzGerald-Lorentz contraction became known
as the Lorent/ transformations
The stage was now set All of the scenery was in place The
failure to detect the ether The Michelson-Morley experiment *
The constancy of the speed of light The FitzGerald-Lorentz
contractions The
transformations These are the far ts
that continued to confuse physicists at the beginning of the
centur) All of them but Albert Einstein When he looked at
these pieces of scenery, what his beginner's mind saw was the
special theory of relativity
* It is said that the
did not l
experiment Howe\ei the itsu
the an for eighteen years pno
and the\ led to the
oeess bv
uhidi the results of the
lts of this \vell publicized expeimien
weie in
to Einstein s papci on special lelatmty (1905)
sformations which became central to the math
ematical foimihsni of sptcial lelativitv
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Special Nonsense
Einstein's first professional act, upon reviewing the facts, was
the equivalent of saying, ' But the Emperor's not wearing any
clothes'" except what he said was, "The ether does not exist
The first message of the special theory of relativity is that
since the ether is undetectable and, in effect, useless, there is
no reason to continue the search for it It is undetectable
because every attempt to measure it or determine its quality,
culminating with the \1ichelson-Morlev experiment, failed
utterly even to indicate its presence It is useless because
light propagation can be env isioned as the propagation of energy
through empty space (in vacua) according to Maxwell s field
equations as well as it can be envisioned as a disturbance of
the ether medium Einstein stated clearly what already was
implicit in Maxwell's equations (Maxwell was the discoverer
of the electromagnetic field) The electromagnetic fields," he
wrote, "are not states of a medium [the ether] and are not
bound down to anv bearer, but they are independent realities
which are not reducible to
This assertion
was supported bv the inability of physicists to detect the ether
With this statement, Einstein brought to a close the illus-
trious history of mechanics the idea that physical events are
explicable in terms of things Classical mechanics is the story
and forces between them It was a remarkable break
from a three-century-old tradition to assert blatantly, in the
early 1900s, that electromagnetic fields involve no object what-
ever, that they are not states of the ether medium, but
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"ultimate, irreducible realities"
in themselves Henceforth,
as in Cjuantum mechanics, there would be no concrete im-
agery associated with physical theor\
Both relativity and quantum theory heralded the unprece-
dented remoteness fiom experience which has characterized
physical theory ever since In fact, the trend is continuing As
though governed by an inexorable law physics is becoming
more and more abstract as it covers wider and wider tracts of
experience Only the future will tell if this trend is reversible
The second victim of Einstein s inability to see clothes that
weren't there was absolute non-motion Why should we make
one particular frame of reference privileged '
in respect to
all others bv saving that it alone absolutely is not
may be desirable theoretically, but since such a frame of
reference does not constitute a part of our experience it should
be disregarded It is mtolei able  to place in a theoretical
structure a characteristic which has no corresponding charac-
teristic in our system of
In one stroke, Einstein eliminated the two major physical
and philosophical blocks to a radically new way of perceiving
With no ether and no concept of absolute motion to
confuse the situation, the situation became much simpler
Einstein's next step was to confront the puzzle which had
come to light (no pun) in the Michelson-Morlev experiment,
namely, the constancy of the speed of light How could the
speed of light
be 186,000 miles per second regardless
of the state of motion of the
In an ingenious mental turnaround, Einstein turned this
puzzle into a postulate' Instead of worrying for the moment,
about how it can happen, he simply accepted the experimentally
irrefutable fact that it does happen This evident (to us)
recognition of the obvious was the first step in a logical proc-
ess, which, once set in motion, was to explain not only the
puzzle of the constant speed of light, but a great deal more
The puzzle of the constancy of the velocity of light became
the principle of the constancy of the velocity of light The
principle of the constancy of the velocity of light is the- first
foundation stone of the special theory of relativity
The principle of the constancy of the velocity of light is that
whenever we make a measurement of the velocity of light,
regardless of whether we are in motion or at rest relative to
the light source, we always get the same result The speed of
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light is invariably 186 000 miles per second * This is what
Michelson and Morley discovered in their famous experiment
From the point of view of classical mechanics the principle
of the constancy of the velocity of light makes no sense at all
In fact it conflicts violently with common sense Before
Einstein, the totalitarian grasp of common sense held the
constancy of the speed of light to the status of a paradox
(Whenever we bump into the limits of our self-imposed cogni-
tive reality, the result is always paradox) It took a pure
beginner s mind, such as Albert Einstein s to accept that if
what is, is (the constancy of the
of light), then common
The most important victim of Einstein s beginner s mind
was the whole structure of classical (Galilean) transformations,
that sweet but illusory fiuit of a common sense anchored in
macroscopic dimensions and velocities To give up common
sense is not an easy task Einstein was the first person to do it
in such a wholesale manner that his perception of the very
nature of space and time changed ladically Moreover, when
all was said and done, Einstein s vision of space and time
turned out to be more useful than that of common sense
The second foundation stone of the special theory of relativity
is the principle of relativity When Einstein dismissed the
idea of absolute non-motion his theory became
facto, a
theory of relativity Since there was no better principle of
relativity to be had than Galileo s Einstein snnplv borrowed
it, but first of course, he brought it up to date
Galileo s principle of relativity savs that the laws of mechan-
ics (such as the laws governing falling bodies) that are valid in
one frame of reference are valid in all frames of reference that
move uniformly (without jerkmess) in relation to it Another
way of  ing the same thing is that it is impossible to deter-
mine, by doing experiments involving the laws of mechanics,
whether or not our frame of reference is moving or at rest in
relation to another frame of reference in which the laws of
mechanics also are valid
Einstein expanded the Galilean relativity pimciple to in-
clude all the laws of physics, and not ]ust the laws of classical
mechanics In particular he included the laws governing
* In a \anium The speed of light
in matter depending upon the index
of lefraction of the matttr
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electromagnetic radiation which were unknown in Galileo's
Einstein s updated principle of relativity then, is that all
the laws of nature are exactly identical in all frames of references
that move uniformly relative to each other and that therefore,
there is no way of distinguishing absolute uniform motion (or
In short, the two foundation stones of the special theory of
relativity are the principle of the
of the velocity of
light (the Michelson-Morley experiment) and the principle of
relativity (Galileo) Said more specifically, the special theory
of relativity rests upon these two postulates
(1) The velocity of light in a vacuum is the same in all
frames of reference (for all observers) moving uniformly, rela-
tive to each other, and
(2) All laws of nature are the same in all frames of reference
moving uniformly, relative to each other
Of these two postulates, the first one the principle of the
constancy of the velocity of light is the troublemaker There
is no way that it and the classical transformation laws both can
be true According to the classical transformation laws (and
common sense) the speed of light must be its velocity as it is
emitted from a source plus or minus the velocity of the ob-
server, if the observer is moving toward the source or away
from the source According to experiment the speed of light
remains constant regardless of the state of motion of the ob-
server Common sense and experimental findings are in violent
Einstein s beginner s mind told him that, since we cannot
argue with what is (the experimental evidence), then our
common sense must be wrong With this decision to disregard
common sense and to base his new theory on the only clothes
he could see that the emperor was wearing (the constant
speed of light and the principle of relativity) Einstein stepped
boldly into the unknown in fact, into the unimaginable Al-
ready on new territory, he proceeded to explore where no
person had gone before
How could it be that to everv observer the speed of light is
the same regardless of their state of motion'
To measure speed,
it is necessary to use a clock and ruler (a rigid rod) If the
speed of light as measured by an observer at rest relative to a
light source is the same as the speed of light as measured by
an observer in motion relative to the source, then it must be
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that, somehow, the
instruments change from one
frame of reference to the other in just such a way that the
speed of light always appears to be the same
The speed of light appears constant because the rods and
clocks used to measure it vary from one frame of reference to
another depending upon their motion In short, to an observer
at rest, a moving rod changes its length and a moving clock
changes its rhythm At the same time, to an observer traveling
along with a moving rod and clock, there is no apparent change
at all in length or rh>thm Therefore, both observers measure
the speed of light to be the same, and neither can detect
anything unusual in the measurement or in the measuring
This is very similar to the case of the Michelson-Morley
to Fit/Gerald and Lorentz, the arm of
the interferometer that faces into the ether wind (now dismissed
from our theory) is shortened bv the pressure of the ether
wind Therefore, the light that travels the interferometer arm
facing into the ' e
her wind' has less distance to travel and
more time to do it in than does the light traveling the other
arm As a result, the speed of light traveling both arms appears
to be the same This is what the Lorentz transformations de-
scribe Come to think of it, the Lorentz transformations can
contractions due to motion as well as
contractions due to a fictitious ether wind
FitzGerald and Lorentz imagined that rigid rods were com-
pressed under the pressure of the ether wind, but according
to Einstein, it is motion
causes contraction, and, in
addition time dilation
Here is another way of looking at it A "constant velocity of
light" is exactly what would result if moving measuring rods
became shoiter and moving clocks ran more slowly because a
moving observer would measure the speed of light with a
shorter measuring rod (less distance for the light to travel) and
a slower clock (more tune to do it in) than an observer at rest
Each observer, however, would consider his own rod and
clock to be quite normal and unimpaired Therefore, both
observers would find the speed of light to be 186,000 miles
per sec ond and both of them would be puz/led bv this fact if
they were still bound by the classical transformation laws
These were the initial fruits of Einstein's basic assumptions
(the principle of the constancy of the velocity of light and the
principle of relativity) First, a moving object appears to
conti act in its direction of motion and become shorter as its
velocity increases until, at the speed of light, it disappears alto-
gether Second, a moving clock runs more slowly than a clock
at rest, and continues to slow its rhythm as its velocity increases
until, at the speed of light, it stops running altogether
These effects only appear to a "stationary" observer one
who is at rest relative to the moving clock and rod They do
not appear to an observer who is traveling along with the
clock and rod To make this clear Einstein introduced the
labels 'proper" and 'relative " What we see when we observe
our stationary rod and our
clock, if we ourselves are
stationary, is their proper length and proper time ("Proper"
means "one s own ') Proper lengths and proper times always
appear normal What we see if we are stationary and observe
a rod and a clock traveling very fast relative to us is the
relative length of the moving rod and the relative time of
the moving clock The relative length is always shorter than the
proper length, and the relative time is always slower than
the proper time
The time that you see on your own watch is your proper
time, and the time that you see on the watch of the person
moving past you is the relative time (which appears to you—not
to the person moving past you—to run more slowly) The
length of the measuring rod in vour own hand is its proper
length, and the length of the measuring rod in the hand of the
person moving past you is its relative length (which appears to
you—but not to the other person—to be shorter) From the
point of view of the person moving past you, he is at rest, you
are moving, and the situation is reversed
Suppose that we are aboard a spacecraft outward bound on
an exploration We have made arrangements to press a button
every fifteen minutes to send a signal back to earth As our
speed steadily increases our earthbound colleagues notice that
instead of every fifteen minutes, our signals begin to arrive
seventeen minutes apart, and then twenty-five minutes apart
After several days, our colleagues, to their distress, find that
our signals arrive every two days As our velocity continues to
increase our signals become years apart Eventually, genera-
tions of earthlmgs come and go between our signals
Meanwhile, on the spacecraft, we are entirely unaware of
the predicament back on earth As far as we are concerned,
everything is proceeding according to plan, although we are
becoming bored with the routine of pressing a button every
fifteen minutes When we return to earth, a few years olde
(our proper time) we may find that we have been gone, ac-
cording to earth time, for centuries (their relative time) Exactly
how long depends upon how fast we have been going
This scene is not science fiction It is based upon a well-
known (to physicists) phenomenon called the Twin Paradox of
the special theorv of relativity Part of the paradox is that one
twin remains on earth while the other goes on a space voyage
and returns >ounger than his brother
There are many examples of proper time and relative time
Suppose that we are in a space station observing an astronaut
who is traveling at a speed of 161 000 miles per second rela-
tive to us As we watch him, we notice a certain sluggishness
in his movements, as though he were moving in slow motion
We also notice that everything in his spaceship also seems to
function in slow motion His rolled cigarette, for example,
lasts twice as long as one of ours
Of course, part of his sluggishness is due to the fact that he
is fast increasing the distance between us, and with each passing
moment, it takes the light from his spaceship longer to reach
us Nonetheless, after making allowances for the travel time
of the light involved, we find that the astronaut still is moving
more slowly than usual
However, to the astronaut, it is we who are zipping past
him at 161,000 miles per second, and after he makes all the
necessary allowances he finds that it is we who are sluggish
Our cigarette lasts twice as long as his
This situation could be the ultimate illustration of how the
grass is always greener on the other side Each man's ciga-
rette lasts twice as long as the other's (Unfortunately, so does
each man's trip to the dentist)
The time that we ourselves experience and measure is our
propei time Our cigarette lasts the normal length of time
The time that we measure for the astronaut is the relative
time His cigarette appears to last twice as long as ours
because his time passes twice as slowly The situation is similar
regarding proper lengths and relative lengths From our point
of view, the astronaut s cigarette, provided that it is pointing
in the direction that his spaceship is moving, is shorter than
our own cigarette
The other side of the com is that the astronaut sees himself
as stationary and his cigarettes as normal He also sees us as
traveling at 161,000 miles per second relative to him, and our
cigarettes as shorter than his and slower burning
Einstein's theory has been substantiated in many ways All
of them verify it with awesome accuracy
The most common verifications of time dilation come from
high-energy particle physics A very light elementary particle,
called a muon (pronounced moo'on), is created at the top of
the earth s atmosphere by the collision of protons (one form of
cosmic radiation ) and air molecules We know from experi-
ments in which muons are created in accelerators that they
live a very short time Bv no means do they live long enough
the earth from the upper atmosphere Long before
the time it takes to traverse this distance they should decay
spontaneously into other types of particles Yet this does not
happen because we detect them in abundance here at the
earth s surface
Why do the muons created bv cosmic radiation live longer,
in fact, seven times longer than those muons created in the
laboratory The answer is that the muons produced by colli-
sions of cosmic radiation and air molecules travel much faster
than any muons that we can create
velocity is approximately 99 percent of the speed of light At
that speed, time dilation is quite noticeable They do not live
longer than usual from their point of view, but from our point
of view they live seven times longer than they would at slower
This is true not only of muons but of almost all subatomic
particles, and there are manv of them For example, pions
(pie'ons), another type of subatomic particle which move at 80
percent of the speed of light, live, on the average 1 67 times
as long as slow pions The special theory of relativity tells us
that the intrinsic lifetime of these high-speed particles does
not increase, but that their relative rate of time flow slows
down The special theory of relativ ity also made the calcula-
tion of these phenomena possible long before we had the
technical capability to create them
In 1972, four of the most accurate atomic clocks available
were put aboard an aircraft and flown around the world At
the end of the trip, they were found to be slightly behind
their stationary, earthbound counterparts with which they were
synchronized before the flight * The next time that you fly
* The
were flown around the world
and west) Both
and special relativistic effects were noted (J C Haielt ind
R E Keatmg Science vol 177 1972 p 16Sff)
remember that, even if minutely, your watch is running slower,
your body had more mass, and, if you stand facing the cock-
pit, you are thinner
According to the special theory of relativity, a moving ob-
ject appears to contract in the direction of motion as its velocity
increases James Terrell, a physicist, has demonstrated math-
ematically that this phenomenon is something like a visual
illusion, and, in fact, is analogous to a projection of the real
world onto the wall of Plato's cave
Plato's famous parable of the cave describes a group of
people who are chained inside a cave in such a way that they
can see only the shadows on the wall of the cave These
shadows are the only world that these people know One day
one of these people escapes into the world outside the cave
At first he is blinded by the sunlight, but when he recovers,
he realizes that this is the real world, and what he previously
considered to be the real world was, in fact, only the projection
of the real world onto the wall of the cave (Unfortunately,
when he returned to the people who still were chained inside
the cave, they thought he was mad)
Figure A depicts a view looking down on the top of our
head and the top of a sphere The lines connect our eyes with
points on either side of the sphere If we are far enough away
from the sphere, the distance between these points is almost
equal to the diameter of the sphere Figure A is drawn as if
the artist were looking down on the top of our head, our eyes,
and the sphere
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