Erlatibitatea, fisika azkartu zuen teoria berezia
2005/09/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Materia eta energia gauza bera dira, Albert Einsteinek berak esan zuen. Planetak, mendiak, itsasoak, animaliak, zuhaitzak eta gu geu energia gara, materia garelako. Egia esan, Einsteinek ez zituen zehatz-mehatz hitz horiek erabili, baizik eta askoz esaldi adierazgarriago bat: " It followed from the special theory of relativity that mass and energy are both but different manifestations of the same thing ". Alegia, materia eta energia gauza beraren izaera ezberdinak direla. Eta, hitzak baino garrantzitsuagoa dena, Einsteinek formula bat utzi zigun ideia hura adierazteko: E = mc 2 . Erlatibitatearen teoria berezian plazaratu zuen formula ospetsua.
Materia eta energia gauza bera direla adierazteaz gain, Einsteinen formulak bien arteko proportzioa zehazten du. Azken batean, formulak esaten du materia-apur bat energia-kantitate handi baten baliokidea dela. Eta alderantzizkoa. Energia handia beharko litzateke materia pixka bat lortzeko, betiere bata bestea bihurtzeko modua ezagutuko bagenu. Nolabait, materia 'izoztutako' energia da, edo horrelako zerbait. Bitxia kontzeptua. Nondik atera zuen ideia hura patenteen bulego batean lan egiten zuen gazte hark?
Askotan kontatu digute inspirazio-kontua izan zela; hau da, Einstein aspertuta egongo zen lantokian, burua beste zerbaitetan izango zuen eta, jenio bat zenez, erlatibitatearen ideia 'etorri' zitzaion. Ez dago esaterik Einstein ez zela oso gazte azkarra; hala eta guztiz ere, erlatibitatearen teoria ez zitzaion, besterik gabe, 'etorri'. Buruhauste handiak izan zituen teoria hura garatzeko.
Erlatibitatearen teoria berezia, gainera, ez zen sortu ideia bakar batetik. Gutxienez, bi printzipiotan dago oinarrituta, erlatibitate izenekoan eta argiaren abiadura konstantea izatearen ideian. Biak 1905ean argitaratu zituen, baina ez ziren bat-bateko burutazioak izan. Luze hausnartutako ideiak ziren.
Erlatibitatea bera
Agian, bi printzipioetatik erlatibitatea da ulertzeko errazena. Erlatibitatearen printzipioak esaten du sistema inertzial baten barruko lege fisikoak ez direla aldatzen sistemaren abiaduraren arabera. Hitz potoloak dira, baina erraz ulertzekoak.
Sistema inertzial deritze abiadura konstantea dutenei, azeleratzen ez direnei. Adibidez, kalean dagoen norbait sistema inertzial batean dago, kaleak ez baitu azeleraziorik; izan ere, geldirik dago. Lurrikara bat gertatuko balitz, azelerazioa izango luke, baina, bestela, kalea geldirik dago. Dena dela, ez da beharrezkoa sistema geldirik egotea inertziala izateko. Abiadura konstantea daraman tren bat ere sistema inertziala da.
Erlatibitatearen printzipioak dio lege fisikoak ez direla aldatzen sistema inertzial baten barruan. Berdin dio kalean zauden edo ehun kilometro orduko abiaduran mugitzen den tren batean zoazen, lege fisikoak berdinak dira.
Fisikariek maiz erabiltzen duten adibide batez erraz ikusten da. Imajinatu ehun kilometro orduko abiaduran doan trenaren barruan zaudela (harrigarria da zenbatetan erabili den trenaren adibidea erlatibitatea azaltzeko!), eta sagar bati erortzen uzten diozula (sagarra ere klasikoa da fisikako adibideetan, ezta?). Sagarra bertikalki erortzen da lurrera, geltokian zinenean erortzen utzi izan bazenio bezala. Lege fisikoa ez da aldatzen. Sagarra modu berean erortzen da trenaren barruan nahiz geltokian.
Begi-bistakoa dirudi, ezta? Hori al zen erlatibitatearen ideia liluragarria? Bada, ez da hain begi-bistakoa: gertaera bera ez da berdin ikusten beste ikuspuntu batetik begiratuz gero. Orain geltokian zaude zu, eta trena pasatzen ikusi duzu. Eta, une horretan, trenean doan norbaitek sagarrari erortzen utzi dio. Zuk, geltokitik, ez duzu ikusiko sagarra bertikalki erortzen. Trenaren abiadura dela eta, erortzen den bitartean metro batzuk aurrera mugituko da, eta, zuretzat, sagarrak parabola bat egingo du erortzean. Goiko irudian ikusten da parabola hori.
Bi ikuspuntu horietatik, gertaera beraren bi bertsio jaso ditugu. Orduan, zer gertatu da benetan? Erlatibitatearen printzipioak dio ez dagoela esaterik zein den 'benetako' bertsioa eta zein ez. Biak dira benetakoak, eta ez dago egia bakarra. Egia bakarra egoteko erreferentzia absolutu bat izan beharko genuke, baina ez dago horrelakorik.
Abiadurak zehaztu ahal izateko, adibidez, geldirik dagoen erreferentzia bat beharko genuke. Baina zein? Zorua? Trenaren mugimendua aztertzeko erreferentzia ona da, baina ez da egokia, esate baterako, Ilargiarena aztertzeko. Orduan, zein? Lurra? Eguzkia? Esne-bidea? Unibertsoan ez dago ezer geldirik, eta ez dago erreferentzia absoluturik.
Argiaren abiadura
Horregatik da garrantzitsua erlatibitatearen printzipioa, erreferentzia-sistemaren mendekotasuna agerian jartzen duelako. Einstein hortik abiatu zen E = mc 2 formula ospetsua ondorioztatzeko, baina ez hortik bakarrik.
Bigarren printzipio bat ere erabili zuen: argiaren abiadura absolutua dela, hain zuzen. Absolutu hitzak adierazten du, erreferentzia edozein izanik ere, beti dela berdina. Zaila da hori ulertzen. Ez dator bat senak esaten digunarekin, eta horregatik egiten zaigu hain zaila ulertzen. Izan ere, argiaren abiadura neurtze hutsa oso arrotza egiten zaigu, oso kontu zaharra den arren.
Einstein jaio zenerako, zientzialariek ederki neurtuta zuten argiaren abiadura. 1676an, Ole Römer daniarrak esan zuen argiak 225.000 kilometro egiten dituela segundo batean. Neurketa ona zen; ez dago oso urruti gaur onartzen den baliotik
Zenbakia gutxienekoa da. Abiadura hori neurtu izanak esan nahi du onartu egin zutela argia ez dela bat-batean leku guztietan batera agertzen, baizik eta mugitu egiten dela. Eta, horregatik, abiadura bat du.
Ustez, argiaren abiadurak eta beste edozein abiadurak modu berean jokatu beharko lukete, baina ez da hori gertatzen. Trena eta geltokia erabiltzen dituzte fisikariek hori azaltzeko, nola ez, eta, oraingoan, geltokian dagoen pertsonak eskuargi bat dauka. Pizten badu, argia ziztu bizian hedatzen da, 300.000 kilometro segundoko abiaduran. Horrekin ez dago arazorik. Arazoa sortzen da, ordea, mugitzen ari den trenetik neurtzen bada abiadura hori. Trena 200.000 kilometro segundoko abiaduran baldin badoa, argiaren abiadurak 100.000koa izan beharko luke trenaren noranzko berean, baina ez da hori neurketaren emaitza; estaziotik nahiz trenetik neurtuta, argiaren abiadura 300.000 kilometro segundokoa da.
Nola liteke hori? Kontua da abiadurak hainbat faktore aldatzen dituela. Horietako bat mugitzen ari den objektuaren luzera da, trenarena, gure adibidean. Abiadura izate hutsagatik, konprimitu egiten da trena mugimenduaren norabidean. Eta, zenbat eta azkarrago mugitu, orduan eta gehiago konprimitzen da. Argiaren abiaduran, hain zuzen ere, 'desagertu' egingo litzateke. Orduan, zergatik ez dugu guk horrelakorik hautematen? Bada, besterik gabe, mantsoegi mugitzen garelako. Espazio-ontzirik azkarrena ere mantsoegia da konpresiorik nabaritzeko. Izan ere, % 1eko konpresioa nabaritzeko, 42.300 kilometro segundoko abiaduran mugitu beharko litzateke, hau da, 152 milioi kilometro orduko abiaduran. Zalantzarik gabe, gaurko teknologiak ezin dio horrelako abiadurarik eragin ontzi bati.
Gure adibidean trena dago konprimituta, baina barrukoak ez dira horretaz jabetzen. Dena dela, konpresioaren eraginez, 300.000 kilometro segundoko emaitza lortzen dute neurtzean. Edozein erreferentzia-sistematatik neurtuta, argiaren abiadura bera da.
Aurrekariak
Abiadurak konpresioa eragiten duela ez da Einsteinen ideia. Bakoitzak bere aldetik, FitzGerald irlandarrak eta Lorentz nederlandarrak proposatu zuten hori, eta konpresioa kalkulatzeko formulak plazaratu zituzten. Kontzeptu berria eta ausarta zen, baina ederki azaltzen zuen fisikari estatubatuar biren esperimentu ospetsu bat: Michelson-ek eta Morley-k argiaren abiadura neurtu zuten Lurraren mugimendua kontuan hartuta. Haien ustez, Lurra mugitzen ari denez, argiaren abiadurak ezin zuen berdina izan mugimenduaren norabidean eta norabide horrekiko perpendikularrean. Baina, neurtu zuten guztietan, argiak abiadura bera zuen. Esperimentuak erabateko porrota zirudien, baina luzera begira oso porrot baliagarria izan zen; batzuen ustez, zientziaren historiako porrotik oparoena (agian, gehiegi esatea da). Hain zuzen ere, FitzGerald eta Lorentz porrot horretatik abiatu ziren abiadurak konpresioa eragiten duela proposatzeko.
Eta Einsteinek uste eta kalkulu haiek guztiak jaso eta orokortu egin zituen, argiaren abiadura absolutua dela oinarritzat hartuta. Lorentzek uste zuen abiadurarekin masa handitu egiten dela partikula kargadunen kasuan; Einsteinen ustez, edozein materia-motatan handitzen da masa abiadurarekin, ez partikula kargadunetan bakarrik. Gainera, denbora ere ez zen absolutua, baizik eta erreferentziaren araberakoa; hau da, abiadura handian mugitzen den erloju batean denbora mantsotu egiten da. Horrek ondorio harrigarri bat dauka: aldi bereko gertaerak ez direla nahitaez aldi berean gertatzen abiadura ezberdineko erreferentzia-sistema batetik ikusita. Horrek eragin handia dauka behaketa astronomikoan, esate baterako.
Hortik aurrera, E = mc 2 formularainoko bidea eragiketa matematikoen eta oinarrizko fisikaren eremuan geratzen da (erraza da esaten, baina egin egin behar da). Lorentzen formuletatik abiatuta, eta argiaren abiadura absolutua dela kontuan hartuta, masaren eta energia zinetikoaren arteko lotura ondorioztatu zuen Einsteinek. Formula hura izugarri ospetsua egin da, baina formularen esanahia ez hainbeste. Materia eta energia gauza bera direla, alegia. Eta zer? Erlatibitatearen teoria bereziak burutazio teoriko huts baten itxura du, baina bonba atomikoaren oinarria da, eta, hori bai, hori benetakoa.
Fisika berria
Erlatibitatearen teoria bereziko ideia horiek ez dira erraz ulertzen, besteak beste, oso bizimodu mantsoan murgilduta bizi garelako. Ez gara abiadura handian mugitzen, eta, argia bera izan ezik, ez dugu ikusten abiadura handian mugitzen den ezer.
esperimentuetan, kontuan hartu behar da erlatibitatearen teoria, partikulak
oso abiadura handian mugitzen baitira.
Bestela, begi-bistakoa izango litzateke argiaren abiadura absolutua dela, ez dela erreferentzia-puntuaren araberakoa. Ez dela erlatiboa. Eta horixe da erlatibitatearen teoriaren oinarrietako bat. Paradoxa dirudi, baina ez du benetako paradoxarik sortzen.
Nolanahi ere, teoria hark ospe handia hartu zuen: ulertzeko zaila zen, konplexua eta, batez ere, alferrikakoa. Zertarako balio du hain azkar mugitzen denari buruzko teoriak, gure inguruan ezer ez bada hain azkar mugitzen? Egon. Elektroiak, protoiak eta beste partikula asko azkar mugitzen dira. Oso azkar. Eta elektrizitatea elektroien mugimendua da; eta partikulen azeleragailuetan gertatzen den guztia ulertzeko ere erlatibitatea hartu behar da kontuan. Ez da gai hutsala. Izan ere, fisika aldatu zuen erlatibitateak, eta, fisikarekin batera, teknologia.
Fisioa, erlatibitatearen alaba
Materia eta energia gauza bera dira. Hori dio erlatibitatearen teoriak. Jakingo bagenu masa nola bihurtu energia, iturri agortezina izango genuke. Baina ez dugu ezagutzen prozesu hori. Ez gara gauza materiak gordetzen duen energia guztia 'erauzteko'. Bonba atomikoa eta beste erreakzio nuklearrak dira orain arteko hurbilketarik onenak. Erreakzio horietan, partikula gutxi batzuk bihurtzen dira energia, apurtzen den uranio-nukleo bakoitzeko oso masa txikia, eta sekulako energia-piloa askatzen du prozesu horrek. Bonba atomiko bat egiteko adinakoa. Pentsa nolakoa izango litzatekeen bonba uranio-atomoak osorik bihurtuko balira energia. Uranio-235 isotopoak dituen 92 protoiak, 92 elektroiak eta 143 neutroiak energia bihurtuko balira, gaur egun ez zen Hiroshimarik izango. Eta, beharbada, zentral nuklear batek planeta osorako adina energia emango luke.
Erlatibitatearen teoria orokorra
Erlatibitateari dagokionez, Einstein ez zen geratu 1905ean argitaratutako ideietan. Azken batean, ideia haiek abiadura konstanteko sistemen fisika bakarrik azaltzen zuten. 1916an, orokortu egin zuen teoria, eta, besteak beste, grabitatearen jatorria azaldu zuen. Masa handiek espazioa eta denbora desitxuratzen dutela azaldu zuen, eta grabitatea horren ondorio bat dela. Zenbat eta masa handiagoa izan, orduan eta gehiago desitxuratzen ditu espazioa eta denbora, eta orduan eta grabitate-eremu handiagoa sortzen du inguruan.
Merkurio planetaren orbita teoria horrekin ulertzen da. Orbita arraroa da, ez da elipse hutsa. Baina Einsteinek azaldu zuen Eguzkiaren eraginez gertatzen zela hori. Eguzkiak masa handia du, eta Merkurio oso gertu dago. Halabeharrez antzematen dira han Erlatibitate orokorraren ondorioak.
