Cent anys de la Teoria de la Relativitat

Avui fa un segle exacte, el 25 de novembre de 1915, que Albert Einstein presentava a Berlín la Teoria de la Relativitat General, un document que va remoure els fonaments de la física i va canviar el coneixement sobre el món i l'Univers. Aquesta teoria va suposar tota una revolució científica, posant en coneixement que l'espai i el temps no viatgen igual a qualsevol lloc, de manera que estan entrellaçats i es poden deformar.
La fórmula E = mc2 explica que l'energia d'un cos és igual a la seva massa per la velocitat de la llum al quadrat.
Per comprendre el camí que va seguir el físic (que tenia doble nacionalitat: alemanya i nord-americana) fins arribar a la formulació definitiva de la seva teoria, cal remuntar-se al 1905, any en què va presentar quatre articles fonamentals.

• Efecte fotoelèctric. Que li va valer el Premi Nobel de Física el 1921.
• Moviment brownià de les partícules. Essencial per entendre el àtom.
• La fórmula E = mc2. Indicant que l'energia d'un cos és igual a la seva massa per la velocitat de la llum al quadrat.
• Electrodinàmica de cossos en moviment. On ja estableix que la velocitat de la llum és constant i presenta la Teoria de la Relativitat Especial. Els càlculs es van plantejar en absència de forces gravitatòries.

Deu anys més tard, el 25 de novembre de 1915, Einstein va presentar davant l'Acadèmia Prusiana de les Ciències la Teoria de la Relativitat General, en la qual ja té en compte els efectes de la gravetat.
De fet, la Teoria de la Relativitat d'Einstein es divideix en dues:

• L'especial: Que descriu com es percep l'espai i el temps en funció d'un subjecte observador no accelerat.
• La general: Que inclou la gravetat i la uneix fermament a l'espai i el temps.

La velocitat de la llum constant
L'autenticament revolucionari és que la velocitat de la llum és constant (gairebé 300.000 quilòmetres per segon) es mesuri on es mesuri i, a més, res en l'Univers pot superar-la.
Tenint en compte aquesta premissa, al temps i a l'espai els passen coses diferents quan s'acosten a la velocitat de la llum:

• L'espai es contrau.
• El temps passa més a poc a poc; amb major velocitat es produeix una espècie de compressió del temps.

Si un astronauta fes un viatge per l'espai a una velocitat propera a la de la llum, en tornar a la Terra descobriria que el seu rellotge -biològic- no coincideix amb el dels seus familiars que l'esperen: el temps transcorregut per aquest seria menor (envelliment més lent).
Amb Einstein, el temps i l'espai deixen de ser absoluts, per tant, contradiuen les regles de Newton. De manera que passen a dependre de l'observador. Uns anys més tard va estendre els conceptes de la seva primera teoria per explicar la gravetat.

L'explicació de la gravetat
En la teoria general del 25 de novembre de 1915, el físic va plantejar que la gravetat viatja exactament a la velocitat de la llum. A més, va establir que la gravetat està íntimament unida a l'espai i temps,  quedant unificats en el conjunt espai-temps.
D'aquesta manera, el Sol corba l'espai-temps i atrau els planetes que giren al seu voltant; i el temps també es corba en presència de massa (gravetat): El rellotge del sòl va més a poc a poc que el rellotge a gran altura.

La utilitat en la vida quotidiana
Els mòbils i els GPS. Els satèl·lits gràcies als quals sabem on som amb rellotges atòmics. Aquests, en estar en menor gravetat, van més ràpid que els de la superfície. Així que, fent cas a Einstein, cal corregir aquest desfasament.


Font: Ramon Gallart

Cent anys de relativitat

Enguany Estocolm commemora el centenari de la Teoria de la Relativitat d'Albert Einstein. La seva obra mestra que descriu la gravetat com la curvatura d'espai i temps. No obstant això, com sovint passa en la ciència, les idees d'Einstein han proporcionat als físics tantes preguntes com respostes.

Trobar solucions que compleixin amb les equacions espai-temps d'Einstein que descriuen la curvatura del nostre univers és difícil. De fet, la seva teoria va anar calant lentament. Durant els primers estudis i les primeres proves, els científics es van veure obligats a utilitzar aproximacions. Van caldre dècades per desenvolupar les tècniques per classificar i derivar-ne les noves solucions. Avui es coneixen moltes solucions, però han sorgit altres problemes complexos, com ara el camp gravitatori entre dues estrelles en rumb de col·lisió. Aquest cas, ara pot explorar-se utilitzant ordinadors per realitzar càlculs numèrics.

La teoria de Einstein no només descriu el nostre univers des del Big Bang fins als forats negres. També ha permès als físics la rellevància de la geometria i la simetria. Aquestes lliçons van permetre estendre des de la física de partícules a la cristal·lografia.

Però, malgrat les similituds que la teoria d'Einstein té amb altres teories de la física, va haver de superar apartats per encaixar amb la mecànica quàntica, la teoria que explica el comportament de la matèria a escala atòmica i subatòmica. Segons la teoria d'Einstein, la gravetat, a diferència de totes les altres forces físiques conegudes per l'home, no és quantificable. Això vol dir que no aplica el principi d'incertesa de Heisenberg. El camp electromagnètic d'una partícula que passa per una escletxa pot passar a través de dues escletxes a la vegada. No es el seu equivalent gravitacional. Aquest desajustament entre la nostra comprensió de la gravetat i les teories quàntiques de la matèria, planteja un dilema enorme per als físics teòrics, perquè porta a contradiccions matemàtiques.

Clarament, hi ha alguna cosa sobre la combinació de la teoria quàntica i la gravetat, que segueix sent desconeguda i també, la comprensió de l'espai - temps. Trobar una descripció del que és compatible amb la nostra comprensió de la física quàntica i la gravetat podria revolucionar la cosmologia, produir noves idees en els primers moments del nostre univers i proporcionar una comprensió més profunda de les teories sobre les que tota la física moderna es basa. Però, malgrat l'enorme impacte potencial d'aquest gran avenç, caldrà l'esforç de diverses generacions de físics per aconseguir-ho. Per tant, encara no se sap quina teoria és la correcta.

Al contrari de com es pot notar la gravetat, quan ens llevem del llit al matí, la gravetat és la força més dèbil de totes les que s'han identificat. En el món atòmic i subatòmic, la gravetat és irrellevant en comparació amb la resta del que està passant, segons tots els conceptes que es poden descriure gràcies a les teories quàntiques.

La debilitat de gravetat fa que sigui molt difícil de mesurar els seus efectes quàntics. No tenim cap dada experimental per guiar els físics teòrics en el desenvolupament de les teories que falten. Detectant un gravitó (la partícula hipotètica que forma part d'un camp gravitatori) requeriria un col·lisionador de partícules de la mida de la Via Làctia, o un detector amb una massa del planeta Júpiter. Aquests experiments, de fet, estan molt lluny de les nostres capacitats tecnològiques perquè els físics es puguin centrar en tractar d'eliminar les contradiccions matemàtiques, desenvolupar enfocaments com la teoria de cordes, la gravetat quàntica de bucles i la gravetat assimptòticament segura. Però per saber quina teoria descriu la realitat física, són necessàries proves experimentals que s'hauran de desenvolupar.

Això és perquè en la darrera dècada, els físics han començat a buscar evidències indirectes de la gravetat quàntica. Els investigadors estan buscant altres efectes que implicarien que és quantifiqués la gravetat.

Aquestes proves són molt semblants a les que s'utilitzen per l'estabilitat dels àtoms, com a evidència indirecta de la quantització de la força electromagnètica. Per exemple, alguns científics estan buscant evidència de les fluctuacions quàntiques de l'espai-temps que podrien entelar imatges d'estrelles distants o provocar distorsions sistemàtiques. Altres estan buscant violacions de certes simetries que podrien permetre entendre l'inexplicable soroll de les ones gravitacionals, els detectors o la inexplicable pèrdua de coherència quàntica.

Fins ara, aquests intents no han pogut detectar les evidències. No obstant això, ja s'han trobat novetats importants, perquè els resultats negatius han descartat algunes hipòtesis plausibles. I, encara que els investigadors poden, encara no han trobat resultats per a servir de base i demostrar una teoria.


Font: ProjectSyndicate