Science is not fun

Opinions personals de membres del CEHIC i alumnes de postgrau

maig 12 2016

Espai i temps

Posted in General |

La sessió d’Einstein del Màster en Història de la Ciència em resultà, per sorpresa meva, molt interessant. Sóc físic, he estudiat les seves teories i, a més, he assistit a vàries conferències sobre la història de la ciència en aquest període. La tarda, per tant, es presentava entretinguda, sí, però no tenia la sensació de poder aprendre coses noves, sinó més aviat la d’haver d’estar escoltant-ne de ja sabudes. Els meus presentiments eren totalment incorrectes.

Poder dedicar a Einstein un període de temps mitjanament llarg i pràcticament ininterromput va valer la pena. Durant la primera part, Xavier Roqué va dur a terme una exposició-contextualització completa d’Einstein sense, pràcticament, trepitjar les tres presentacions que hi havia preparades per la segona part.

Una vegada fet el descans, va arribar el moment d’aprofundir en certs aspectes claus a través de les exposicions. Una companya del màster, la Yona, ens féu una xerrada sobre la comprovació experimental, dirigida per Eddington, de la teoria de la relativitat general d’Einstein al 1919. D’aquesta manera, poguerem comprovar una de les raons per les quals Einstein fou près seriosament per la comunitat científica. Ara bé, quines implicacions tenien les demostracions de les teories einstenianes? Aleshores fou el meu torn.

Espai (-) Temps

La meva exposició tractà de contestar una pregunta: en què difereixen l’espai i el temps d’Einstein de l’espai i el temps de la física clàssica? Per fer-ho, vaig repassar la física clàssica i vaig acabar amb la física d’Einstein, agafant el relleu que la Yona em passà.

Per tal de donar una resposta global vaig començar amb les definicions de temps i espai absoluts de Newton. El primer es podria entendre com una escala, una línia, on tots els successos es col·loquen de manera ordenada sobre ella; l’altre, com una habitació buida on s’hi van col·locant objectes, que serien els cossos de l’univers. La visió mencionada fou l’acceptada durant segles, en part gràcies a la sistematització matemàtica i lògica que Euler, Lagrange i Hamilton dugueren a terme. Aquest últim, influenciat per les idees de Kant (afins als conceptes newtonians d’espai i temps), buscà un element geomètric per descriure l’espai (el que ara anomenaríem el vector tridimensional), però acabà trobant el cuaternió, que tenia quatre components i no tres. Aleshores, dividí aquest element en dues parts: la vectorial (element tridimensional) que correspongué a l’espai, i l’escalar (unidimensional), pertanyent al temps. D’aquesta manera, la visió dels absoluts quedà reforçada.

Només per deixar Newton i la mecànica clàssica tancats: en la seva llei de la gravitació universal, l’acció atractiva a distància que sofreixen dos cossos amb massa és instantània.

Una altra part de la física clàssica neix al segle XIX. Gràcies a Oersted, Faraday, Maxwell, Hertz i molts altres existí la primera teoria consistent de camps, la teoria electromagnètica. Una novetat és que, al contrari de Newton, les accions a distància no foren instantànies, la senyal necessita un cert temps per viatjar. Tot i trencar amb Newton en aquest aspecte, en els absoluts no hi ha cap esquerda: la teoria electromagnètica es basava en l’èter com a espai sobre el qual els camps elèctrics i magnètics fluïen. Aquest èter es podia entendre com una espècie de modernització de l’espai absolut. El mateix Lorentz, contribuidor destacat en el desenvolupament de la teoria de la relativitat, ho digué. Ara bé, certs experiments, com el de Michelson i Morley, semblaven desmentir l’existència d’aquest medi (a la física actual no hi ha lloc per a l’èter).

Amb aquest panorama Einstein entrà en escena. Dues branques importants de la física tenien diferent simetria: en la mecànica, un mateix fenomen vist per qualsevol observador sempre es descriurà de manera idèntica; en canvi, en l’electromagnetisme la formulació d’un fenomen dependrà de l’observador. Aquest fet, més l’inexistència de l’éter, la velocitat finita de la llum i altres aspectes no tan acadèmics, portaren Einstein, al 1905, a formular la teoria de la relativitat especial. El model es basa en dos principis: les lleis físiques són iguals i les mateixes per a qualsevol observador inercial; la velocitat de la llum és constant i igual per a tot observador.

Després de comentar breument el segon principi, posat que resulta molt poc intuïtiu, vaig passar un vídeo sobre la simultaneïtat per tal de tornar al que ens ocupava: l’evolució dels conceptes temps i espai. La conclusió que vam extreure del curtmetratge fou que d’un mateix esdeveniment hi poden haver diferents interpretacions, i totes correctes! Aquest fet trenca d’una manera contundent amb Newton, ja que si hi ha més d’una interpretació correcta vol dir que no n’hi ha cap d’absoluta.

La contracció de les longituds i la dilatació del temps van acabar de fer pal·lès el terme relatiu (en contraposició amb el terme absolut) perquè, per una banda, anar més ràpid equival a dir que l’espai es contrau i, per altra banda, dos observadors en sistemes inercials diferents perceben que el temps de l’altre està anant més a poc a poc.

A tall d’exemple, el caràcter relatiu del temps té diverses conseqüències cinemàtiques. Les velocitats no se sumen simplement. Quan un vaixell es mou respecte a la costa, i un mariner es passeja per la cuberta de popa a proa, la seva velocitat respecte a la costa no és exactament la suma de les dues velocitats, tal i com hagués dit Newton. Això és degut a què el temps de terra ferma amb el qual es medeix la velocitat del vaixell no coincideix amb el temps del vaixell amb què es mesura la velocitat del mariner.

I, per acabar amb la meva exposició vaig comparar l’acció a distància de Newton (espai i temps hi són intrínsecs, però ben diferenciats) amb la teoria de la relativitat general d’Einstein a través d’un exemple: si el Sol desaparegués, segons Newton, instantàniament a la Terra ens quedaríem sense la seva llum i seguiríem una trajectòria rectilínia; segons Einstein, una vegada el Sol no existís, trigaríem vuit minuts i uns pocs segons a quedar a les fosques i, a la vegada, rebríem el xoc de l’ona gravitacional creada en el tramat espai-temps (amb Einstein els dos termes s’uneixen, no hi dedico molt temps, ja que a l’exposició prèvia la Yona ja ho va fer).

Després de veure les implicacions, la importància i el trencament que suposen les teories einstenianes, la Laura arrodoní la tarda comentant la vesant social i més pública d’Einstein per així tancar el cercle de manera satisfactòria.

Conclusions i opinió personal

En fi, si bé molts aspectes que sortiren a la sessió ja els coneixia, vaig poder confeccionar una idea mental molt més detallada i precisa. La combinació de la contextualització que va fer Xavier Roqué seguida de les tres presentacions que es complementaren donà com a resultat una sessió molt complerta, segons la meva opinió.

Pel que fa a la meva presentació, serví per assoli l’objectiu proposat, que era saber en què difereixen l’espai i el temps d’Einstein de l’espai i el temps de la física clàssica. Dit breument, per a Newton (física clàssica) hi ha un temps i un espai absoluts; per a Einstein no.

Un altre punt que em semblà interessant fou el de les preguntes: molts comentaris, a causa de l’extens marge temporal que teníem, foren interessants. Un exemple és la pregunta que formulà José Antonio Chamizo quan preguntà sobre la relació entre la velocitat de la llum finita i l’entrellaçament quàntic.

Per acabar, dos comentaris personals. M’agradaria agraïr a Xavier Roqué que em permetés fer aquesta presentació, ja que per tal de confeccionar-la vaig haver de repassar molts conceptes que havia après a primer de carrera i, alguns, els tenia oblidats. De cop i volta, em vaig trobar embrancat fent les demostracions matemàtiques de la dilatació temporal i la contracció espacial, així com també la demostració de la pseudo-paradoxa dels bessons. Preparant l’exposició m’ho vaig passar molt i molt bé.

L’altra reflexió és més trista. Quan vaig cursar l’assignatura de relativitat, a la carrera de física, vaig trobar a faltar una mica de contextualització. Crec que dedicar cert temps, per exemple, a l’inici de l’assignatura de relativitat a ubicar l’alumnat i posar sobre la taula els precedents i la raó per la qual s’estudia Einstein seria molt profitós, ja que deixarien de ser fórmules i prou; tindrien un altre valor afegit, a part del matemàtic i el físic. Almenys jo ho vaig trobar a faltar.

Referències

[Vídeo] Simultaneity – Albert Einstein and the Theory of Relativity. Earbot.com, canal de YouTube. Vídeo penjat al maig del 2007 i consultat a l’abril del 2016. [https://www.youtube.com/watch?v=wteiuxyqtoM]

Manuel García Doncel (1989). El tiempo en la física: de Newton a Einstein. Seminari d’Història de les Ciències, UAB. Enrahonar 15, pp. 39-59.
Jimena Canales, “Las Ficciones de Einstein.” Investigación y Ciencia , no. 453 (junio 2014), pp. 50–51.

Peter L. Galison and D. Graham Burnett, “Einstein, Poincaré & Modernity: a Conversation,” Daedalus (Spring 2003), pp. 1–15. Diàleg basat en Peter Galison, Einstein’s clocks and Poincaré’s maps: Empires of time (New York: Norton, 2003).

Albert Einstein. La teoria de la relativitat i altres textos . Introducció, traducció i notes de X. Roqué. Barcelona: Pòrtic; Institut d’Estudis Catalans; Vic: Eumo, 2000. “Introducció”, pp. 9-30.

Albert Bramon (2011). Apunts de relativitat especial. Institut de Física d’Altes Energies, UAB.

 

Roger Tarrés Rodrigo


This entry was posted on dijous, 12 maig, 2016 at 14:30 and is filed under General. You can follow any responses to this entry through the feed. You can leave a response, or trackback from your own site.

Deixa un comentari

Si us plau, demostra que no ets un robot * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.