Parlem de ciència? (1) – Reflexions

45

D’ençà que vaig encetar la meva col·laboració a Emporion amb el títol general de Reflexions, hi he parlat de Societat, de Política, d’Economia, de Costums,… però fins ara no he escrit mai de Ciència. Potser ja toca, doncs. I ara ho considero oportú, perquè el mes d’agost passat va sortir als diaris una notícia que semblava de ciència-ficció, i que no obstant era ben real: un equip de científics intentarà esbrinar si un virus pot ser a dos llocs al mateix temps. No és un acudit ni una ximpleria. Els investigadors es basaran en la Teoria Quàntica, que prediu -i els experiments demostren- que una partícula elemental -un fotó, un electró, etc- pot ser present a diversos llocs al mateix temps. El segle XX va ser una centúria extremadament creativa a l’àmbit de la Ciència i la Tecnologia. Es va anar descobrint com era l’àtom, els seus components, el protó, el neutró, l’electró,… i els components d’alguns d’aquests, els quarks, els gluons, …Es va estudiar l’expansió de l’Univers, el Big-bang, els Forats Negres, … Un altre dia en parlarem.

EinsteinPerò durant el segle XX es varen desenvolupar sobretot dues grans Teories, la Teoria Quàntica abans esmentada, i la Teoria de la Relativitat. Aquestes teories han permès conèixer el món com mai no s’havia fet, i han fet possibles avenços increïbles, des de l’energia atòmica fins a l’ordinador.

Avui començaré per exposar molt esquemàticament què diu la Teoria de la Relativitat, i ho faré adaptant-ho de Viquipèdia. Deixaré la Teoria Quàntica per a un altre dia.

La Teoria de la Relativitat especial o Restringida va ser formulada per Einstein l’any 1905 (tot i que altres savis hi estaven treballant, com el gran matemàtic francès Poincaré, però Einstein la va expressar amb un gran sentit físic). Evidentment no podem entrar a fons a considerar els seus fonaments matemàtics i experimentals.

En resum, la Teoria de la Relativitat estableix:

  • No hi ha cap punt fix a l’univers, sinó que tot es mou, i tots ens movem amb tota la resta.
  • La velocitat de la llum és invariable, no canvia, és una "llei de la natura", té el mateix valor per a qualsevol observador, sigui quin sigui el seu estat de repòs o moviment. És de 300.000 Km per segon.
  • La massa és energia i l’energia té massa. Allò de “la massa ni es crea ni es destrueix, només es transforma”, ara ja no és vigent, es pot destruir massa i convertir-la en energia, i a l’inrevés, a través de la famosa equació d’Einstein E = mc2, on (E) és l’energia, (m) la massa i (c) la velocitat de la llum. L’equació ens diu que es genera molta energia (E) per cada petita quantitat de massa (m) que desapareix (perquè "m" està multiplicat pel quadrat del valor de la velocitat de la llum, "c", que és un nombre molt gran). Aquesta obtenció de grans quantitats d’energia es produeix durant la fissió nuclear, que té lloc, per exemple, en les explosions atòmiques, a les centrals nuclears i, sobretot, al Sol i als estels.

· Quan augmenta la velocitat d’un cos:

  • La seva massa augmenta. (Per entendre’ns: “pesa” més).
  • La seva llargada en el sentit del moviment disminueix.
  • El temps d’aquest cos passa més a poc a poc.

Segons la nostra experiència, això sembla absurd perquè els nostres moviments normalment tenen unes velocitats relatives molt petites i aquests canvis no es poden apreciar. Per exemple, si llancem una pilota tan ràpidament com puguem, el seu canvi respecte a nosaltres, segons les lleis relativistes, serà de només 2 milionèsimes parts.

En canvi, quan els físics, mitjançant un accelerador de partícules atòmiques, acceleren aquestes a velocitats de la meitat de la llum o més, i en mesuren les masses, poden observar que han augmentat d’acord amb les prediccions de la Teoria de la Relativitat. Com ara al Sincrotró inaugurat fa poc a Cerdanyola del Vallès.

Segurament allò que més sorprèn d’aquesta teoria (però els experiments han demostrat que era cert) és que el temps de dos cossos pugui ser diferent segons la velocitat de l’un i de l’altre. És conegut com la paradoxa dels bessons: si un es quedés a la Terra i l’altre anés i tornés d’un altre planeta a velocitat pròxima a la de la llum, l’edat del que ha viatjat gairebé no hauria canviat, mentre l’altre s’hauria fet vell.

Abans de la Teoria de la Relativitat, el temps es considerava com una magnitud absoluta, que transcorria igual per a tots els objectes i persones. Per això es considerava, d’una banda, l’espai físic de tres dimensions (llarg, ample, alt) i, d’altra banda, el temps. Però com que el temps depèn de les velocitats dels cossos, Einstein va proposar de considerar un espai de quatre dimensions (llarg, ample, alt, i temps). Això és el que s’anomena l’espai-temps. Tots nosaltres som en un punt determinat de l’espai-temps.

Abans del Big-bang, és dir, abans d’existir l’Univers, el temps no existia.

(Per als creients: quan Déu creà el món, no va crear només l’espai, sinó també simultàniament el temps, Déu va crear l’espai-temps).

Però quedava plantejat un problema: si res no pot ser més ràpid que la llum, què passa amb la gravetat, que sembla que vagi instantàniament del Sol a la Terra, o de la Terra a la Lluna, o d’un extrem a l’altre de l’univers?

La Teoria de la Relativitat General, que completava l’anterior, va resoldre el problema. La va formular Einstein l’any 1916, i estableix que:

  • La gravetat no és una força com una altra (elèctrica, magnètica, que van a la velocitat de la llum), sinó l’expressió de la massa dels cossos, que fa que l’espai-temps agafi curvatura (una estrella deforma l’espai com una bola de plom corbaria la superfície d’un matalàs).
  • Per tant, l’espai-temps (de quatre dimensions, recordem!) és corbat. Com que només podem imaginar tres dimensions (llarg, ample i alt), no quatre, aquest concepte de curvatura ens és molt difícil d’entendre, però amb matemàtiques tot es pot imaginar. La curvatura de l’espai-temps augmenta allà on hi hagi un objecte que tingui massa, i fa que els altres objectes, en el seu moviment, segueixin camins corbats (com faria una bola que passés rodolant per sobre del matalàs corbat de què he parlat abans).
  • Com que la corbatura ocasonada per la massa dels cossos abarca tot l’univers, “sembla” que la gravetat vagi instantàniament d’un extrem a l’altre de l’univers a més velocitat que la de la llum. Però la gravetat “no va” enlloc, sinó que “hi és”; són les ones electromagnètique i la llum les que viatgen per l’univers corbat.

D’aquesta manera la Relativitat General esdevé una teoria de la gravetat més completa i coherent que la de Newton, la qual queda com un cas particular d’aquella.

Ja sé que tota aquesta explicació, tan resumida, és molt dura de seguir, però crec que és bo de saber-ne les idees principals.

El mes vinent parlarem de la Teoria Quàntica, que potser és més atractiva. La que permet pensar que un virus pugui ser a dos llocs alhora.