El 1905, el físic
Albert Einstein va proposar una teoria que donava resposta a una sèrie de
fenòmens per als quals la Física de l'època no trobava explicació. No obstant,
aquella proposta portava unes conseqüències aparentment absurdes i paradoxals
que canviarien la nostra manera d'entendre el món per sempre més. El temps va
demostrar que aquelles idees no eren pas absurdes i que Einstein tenia raó.
(c) Oriol Massana.
En vaixell
amb Galileu
Dos amics són a la coberta d'un vaixell. Al seu
voltant volen papallones i altres insectes. També hi ha una peixera amb peixos
i una ampolla capgirada que goteja dins d'un altre contenidor. Aquesta curiosa
escena la va descriure el pare de la ciència moderna, Galileu Galilei, al seu
llibre Diàleg sobre els dos màxims sistemes del món.
Aquesta curiosa escena la va descriure el pare de la ciència
moderna, Galileu Galilei, al seu llibre Diàleg sobre els dos màxims sistemes
del món. Encara que el llibre és gairebé tres segles més antic que la
teoria de la relativitat d'Einstein (es va publicar el 1632), hi té molt a
veure. Galileu va observar que, tant si el vaixell estava parat com si es movia
a velocitat constant, els dos amics veurien els animals volar o els peixos nedar
amb la mateixa velocitat en totes les direccions, com veurien caure les gotes
sempre verticalment.
La inèrcia
Tothom que s'hagi marejat en un vaixell sap que -al contrari del que deia
Galileu- es pot saber perfectament quan es mou i quan no. I també que no és
gaire prudent deixar una peixera de cristall al grat de les oscil·lacions del
vaixell. Tanmateix, les desagradables conseqüències d'un viatge en nau es deuen
al fet que el vaixell canvia contínuament de velocitat i de direcció: si es
mogués al llarg d'una línia recta i amb velocitat constant, les coses anirien
exactament com deia Galileu. Efectivament, els objectes presenten una"resistència"
a canviar el seu moviment, anomenada inèrcia. Però aquesta resistència
només és fa palesa quan es produeix el canvi de velocitat, i no mentre la
velocitat es manté constant. De fet, tots nosaltres ens trobem en un planeta
que viatja a milers de quilòmetres per segon a través de l'espai i no ho notem
pas. No obstant, si la velocitat de la Terra augmentés o disminuís, ho notaríem
d'una forma molt més espectacular que quan anem a l'autobús i aquest frena o
accelera.
La
relativitat segons Galileu
Imaginem que ens trobem al moll i que per davant de nosaltres passa el
vaixell descrit per Galileu a 10
km/h. Imaginem ara que una de les persones que hi
viatgen llencen una pilota cap endavant a 10 km/h. Per a aquesta
persona, com hem vist abans, la pilota anirà a 10 km/h; però per a
nosaltres, el moviment del vaixell i el de la pilota se sumaran, i la pilota
viatjarà a 20 km/h.
De la mateixa manera, per al passatger del vaixell no serà ell qui es mou a 10 km/h, sinó nosaltres. La
velocitat d'un objecte, doncs, depèn de l'observador, o en altres paraules, és
relativa a l'observador (tècnicament, el sistema de referència).
El secret de la llum
Però què passaria
si en comptes d'una pilota, allò que el passatger projectés cap endavant del
vaixell fos un raig de llum? La llum viatja a 300.000 km/s. Per tant, si observéssim
des del moll una persona sobre un vaixell que navegués a 10 km/h i aquesta encengués
una llanterna apuntant endavant, a nosaltres ens hauria de semblar que la llum
de la llanterna viatja a 300.000 km/s + 10 km/h; mentre que per a la persona que
subjecta la llanterna des del vaixell, la velocitat de la llum seria "només" de
300.000 km/s. Sembla lògic, no? Sorprenentment, alguns experiments realitzats a
finals del segle XIX van revelar que la velocitat era exactament igual per a
tots dos observadors: 300.000 km/s. Com podia ser?
Ve
l'Einstein!
Els experiments que demostraven
que la velocitat de la llum no depenia de l'observador no van trobar una
explicació física fins que Einstein no va desenvolupar la seva teoria. La
teoria de la relativitat d'Einstein destaca pel fet que afirma que allò que és
vàlid per a un vaixell i per a una pilota, no és vàlid per a la llum: la llum
es propaga sempre a la mateixa velocitat independentment de l'observador (300.000
km/s). Així doncs, la velocitat de la llum és una constant absoluta universal.
Però si la velocitat de la llum és igual per a tots els observadors... hi ha d'haver
quelcom que imaginàvem absolut que en realitat no ho és! Efectivament, segons
Einstein el temps i l'espai no són iguals per a tothom, són variables relatives
a l'observador. Aquesta és la peculiaritat de la relativitat d'Einstein.
El
temps i l'espai son relatius
Si un de dos
bessons idèntics es fa astronauta i es passa anys viatjant en la seva nau
espacial a grans velocitats, properes a la velocitat de la llum, quan torni a
la Terra el seu germà (i tots els de la seva generació) hauran envellit
notablement més que ell. Si es posen a l'hora (es sincronitzen) dos rellotges
idèntics i se'ls fa recórrer camins diferents, a velocitats diferents, quan es
tornin a trobar no indicaran la mateixa hora. Com més velocitat, més lent passa
el temps. Però això només és apreciable a velocitats molt superiors a les que
habitualment viatgem.
La velocitat és l'espai
recorregut per alguna cosa en un temps determinat. Que la nostra velocitat
sigui molt alta significa que recorrem un gran espai en un temps molt petit. La
llum recorre 300.000 km
en un segon. Això ho observem perfectament des del repòs. Si quan viatgem a una
velocitat propera a la de la llum, seguim observant que la llum recorre 300.000 km en un segon,
significa que, d'alguna manera, el nostre segon d'ara és mooolt més llarg que
el nostre segon quan estàvem en repòs. És a dir, des del nostre nou sistema de
referència, el temps passa molt més lent (encara que no ens adonem) i això ens
fa seguir percebent que la llum viatja a 300.000 km/s (És clar! Ara un segon és
quasi una eternitat!). També és raonable pensar que els 300.000 km vistos des
del repòs s'han escurçat molt ara que viatgem a grans velocitats, tot i que
nosaltres no en som conscients. Només un observador que ens miri des del repòs
o des d'una velocitat llunyana a la de la llum, percebrà que l'espai que ocupem
s'ha comprimit i que el temps en el qual ens movem és molt més lent, com si ens
moguéssim a càmera lenta.
Aquest fenomen pot semblar ciència ficció, però passa contínuament dins la
pluja de rajos còsmics resultants d'explosions espacials que arriba a la
Terra. Algunes de les partícules que composen aquesta pluja es mouen amb
velocitats properes a la de la llum. Els científics han mesurat que en el seu
sistema de referència, aquestes partícules es desintegren en un temps molt
curt. Tanmateix, vist des de la Terra, aquest temps es dilata i, per aquesta
raó, moltes d'aquestes partícules aconsegueixin arribar a la superfície
terrestre abans de desintegrar-se. És a
dir, si nosaltres viatgéssim amb elles, veuríem que les partícules es
desintegren de seguida. Com que les mirem des d'un sistema de referència que va
a una velocitat molt menor, ens sembla que triguen molt de temps a
desintegrar-se (suficient com per fer el viatge des d'estrelles llunyanes fins
a la Terra).
La massa és energia
Una de les
conseqüències més famoses de la relativitat és l'expressió E=mc2.
Aquesta equació diu que un objecte en repòs té una energia (E) equivalent a la
seva massa (m) multiplicada per la velocitat de la llum (c) al quadrat. La
velocitat de la llum és tan alta que la massa d'una agulla té una energia
equivalent a la d'una gran explosió, com la d'una bomba atòmica. La conversió
de massa en energia és la font de l'energia del Sol i de les altres estrelles.
També és a la base de l'energia nuclear i del potencial destructiu de les
bombes atòmiques.
