Noi experimente confirmă relativitatea specială

Un experiment complex a confirmat predicţiile teoriei relativităţii speciale, cu o precizie de 10 ori mai mare decât toate măsurătorile făcute în trecut. La aproape un secol de la formularea ei, teoria relativităţii speciale continuă să rămână una dintre cele mai tulburătoare descoperiri despre structura Universului în care trăim. Chiar şi astăzi, conse-cinţele ei contraintuitive rămân, în continuare, dificil de acceptat şi de inserat în reprezentările noastre cu privire la lume şi la cunoaşterea ei.

Faptul că viteza luminii este finită era cunoscut de mai multă vreme. Roemer, de exemplu, cu mai bine de un deceniu înaintea lui Newton, efectuase mai multe observaţii şi calcule cu referire la eclipsele sateliţilor lui Jupiter, constatând că semnalele străbat distanţele mai scurte între Pământ şi Jupiter în durate mai scurte de timp. Mai târziu, propagarea luminii va primi o frumoasă descriere matematică în ecuaţiile lui Maxwell, care descriu în mod cuprinzător electricitatea şi magnetismul în forma propagării unor unde care se deplasează cu o viteză de aproximativ 300.000 de kilometri pe secundă. Însă acest rezultat intră în contradicţie flagrantă cu principiile mişcării lui Newton, pentru că, în cazul modelului newtonian, nu poate exista o viteză absolută a unui corp, ci de fiecare dată ea depinde de reperul în raport cu care se face măsurătoarea. (Un tren, spre exemplu, se deplasează, însă, în mod diferit pentru cei de pe peron în raport cu cei aflaţi în vagon.) Or, descrierea propagării luminii în teoria lui Maxwell implică faptul că viteza de propagare a unui semnal luminos este aceeaşi în toate situaţiile (de repaus sau de mişcare) în care se află observatorul care o măsoară.

Dacă pentru un călător din vagon, deplasarea către capătul din spate al trenului este suficientă pentru a rămâne în apropierea celor aflaţi pe peron, semnalul luminos se deplasează tot atât de repede şi pentru cel ce stă pe peron şi pentru cel din tren, indiferent de sensul lor de deplasare şi indiferent de viteza trenului. Viteza semnalului este aceeaşi: 300.000 de kilometri pe secundă.

Newton, Maxwell şi Einstein

Prin descrierea propagării luminii formulată de Maxwell, devine evident faptul că lumina nu respectă legea de compunere a vitezei! Pentru reconcilierea celor două perspective, modelul newtonian şi cel corespunzător descrierii lui Maxwell, pentru un timp, a fost postulată existenţa unui mediu numit eter. Însă, un alt experiment celebru, proiectat de Michelson şi Morley, a arătat că eterul nu există. În fine, situaţia a fost rezolvată de Einstein prin teoria relativităţii speciale, elaborată tocmai cu scopul de a explica aceste fenomene în cadrul spaţio-temporal, fără contribuţia eterului. Potrivit modelului newtonian, legile trebuie să fie aceleaşi pentru o mişcare rectilinie şi uniformă, cât şi pentru situaţia de repaus. Einstein va spune la fel şi va păstra şi viteza de propagare a luminii drept constantă, indiferent de situaţia observatorului. Aceasta va fi posibil însă cu un sacrificiu important: el va renunţa să mai considere timpul ca fiind absolut.

Viteza luminii - o limită în Univers

Relativitatea specială, una dintre cele mai mari teorii ştiinţifice ale secolului trecut, are consecinţe extraordinare. Viteza luminii nu depinde de viteza sursei, ci reprezintă o limită de viteză pentru „deplasarea“ oricărui obiect sau propagarea oricărei interacţiuni. Dacă, într-o galaxie foarte îndepărtată, un nor gigantic de materie stelară dă naştere unei stele, informaţiile despre acest eveniment nu vor ajunge instantaneu peste tot în Univers. „Veştile“ vor „călători“ cu viteza luminii şi, după foarte mult timp, vor fi receptate şi pe Pământ. Toate semnalele receptate din Univers vin din trecutul lui. Radiaţiile care provin din spaţiul îndepărtat sunt din ce în ce mai vechi, provenind dintr-un trecut tot mai îndepărtat. Mai departe (spaţial) în Univers înseamnă mai îndepărtat (temporal) în trecutul lui. Aceasta înseamnă că omul nu poate cunoaşte oricât doreşte din Univers, şi nici oricând.

Timpul nu trece peste tot la fel

O altă consecinţă a relativităţii speciale este legătura dintre timp şi mişcare. Diferenţa de „curgere“ a timpului la viteze mari a fost pusă în valoare şi experimental, în 1971. Doi fizicieni au zburat în jurul Globului terestru în direcţii opuse, cu avioane comerciale. Aceştia au transportat pe durata zborului ceasuri atomice de mare precizie, care fuseseră iniţial sincronizate cu un altul stabilit la sol. La sfârşitul călătoriei, ceasurile transportate spre est, cu viteză, ca atare, mai mare decât cea de rotaţie a Pământului, au arătat un timp scurs mai scurt cu 59 de miliardimi de secundă, iar cele duse spre vest (mişcându-se mai încet decât cele de la sol) au înregistrat timpi mai lungi cu 273 de miliardimi de secundă. (Cf. Mario Livio, Ecuaţia care n-a putut fi rezolvată. Matematicieni de geniu descoperă limbajul simetriilor, Editura Humanitas, 2007, p. 235.)

Un alt test al relativităţii speciale a fost făcut prin compararea timpului înregistrat la sol cu cel înregistrat de către sateliţii artificiali ce se află în spaţiul extraterestru. Rezultatele au arătat că predicţiile teoriei relativităţii speciale sunt corecte. Într-adevăr, timpul nu este omogen, cum pare în ordinea experienţei directe. El nu curge în orice situaţie la fel, ci depinde strâns de viteza de mişcare.

Lucrurile se contractă în mişcare

Dar teoria relativităţii afirmă că şi dimensiunile percepute în legătură cu obiectele în mişcare sunt relative la viteză. Mai precis, nu se contractă obiectele ce se deplasează cu viteze apropiate de cea a luminii, ci spaţiul însuşi! Iar „comprimarea“ este valabilă doar în lungul direcţiei de mişcare. Ea dovedeşte că, în regim relativist, nici spaţiul nu este izotrop, proprietăţile lui variind cu viteza de mişcare.

Materia este energie

În fine, potrivit relativităţii speciale, relaţia E # mc2 arată că materia este, de fapt, concentrarea unei cantităţi enorme de energie, proporţională cu masa corpusculului, cu un factor de echivalenţă egal cu viteza luminii. Calculele arată, spre exemplu, că fiecare gram de substanţă conţine o cantitate de energie de 20 de miliarde de miliarde de calorii, încât câteva zeci de grame de materie ascund energie suficientă pentru asigurarea necesarului de consum al unei metropole, pe o durată de timp de mai mulţi ani.

O precizie de 10 ori mai mare

Un grup de cercetători din Canada şi de la mai multe instituţii din Germania au încercat să obţină rezultate mai bune în testarea teoriei relativităţii speciale. Ei au încercat să măsoare dilatarea timpului în cazul unor ioni de litiu-7 injectaţi cu viteze apropiate de cea a luminii, într-un dispozitiv special. În stare de repaus, aceşti ioni de litiu-7 au o proprietate specială, anume că pot „măsura“ durate foarte mici de timp, cu o precizie extraordinară, întrucât posedă tranziţii ale electronilor între diferite nivele de energie, cu o frecvenţă foarte înaltă, de 546 THz!

Rezultatele obţinute de echipa de cercetători au fost semnificative: cu o rezoluţie de 10 ori mai mare decât precizia ultimelor măsurători (este vorba de cele care au folosit sateliţii artificiali)! Echipa de cercetători a confirmat, încă o dată, că teoria relativităţii speciale este valabilă, iar predicţiile oferite de ea concordă cu datele experimentale, în mod remarcabil! Înseamnă că şi consecinţele ei sunt valabile, cu tot caracterul lor contraintuitiv. Încât, în orice direcţie ar privi cineva, peste tot în spaţiul cosmic, nu ar vedea decât imagini din trecut: Luna pe care o vedem acum e cea de acum o secundă, Soarele pe care îl privim acum este cel din urmă cu 8 minute; atunci când privim cea mai apropiată stea de Pământ, Alpha Centauri, vedem cum era ea acum 100 de ani. În rest, imaginile stelelor de pe bolta cerească, care se pot vedea în seara aceasta, sunt tot mai vechi, pe măsură ce sunt tot mai îndepărtate: unele de acum câteva sute de ani, altele de mai multe mii de ani.