La dilatació del temps I.

El conte dels bessons. Full de l’alumnat

Objectiu


Comprendre la relativitat del temps.
Veure que no es tracta de ciència-ficció, sinó d’una cosa que és real i experimental.


Conte

En Joan i l’Ester són una parella de anys. Tenen dos fills bessons: l’Alba i en Roger. Els dos joves pares són científics i han construït una nau de dues places capaç de viatjar a velocitats molt properes a la de la llum.En el moment en què els seus dos fills van complir un any, els dos científics van decidir experimentar amb la seva nau. Viatjarien durant anys, d’anada i de tornada. L’objectiu del viatge seria doble: d'una banda, intentar arribar molt prop de l’estrella Alfa de la constel·lació del Centaure, que és la més propera a la Terra. De l'altra, experimentar quins problemes de salut podrien trobar-se en un viatge d’aquestes característiques. Decidiren que serien l’Ester i en Roger, els que hi embarcarien, per retornar al cap de 8 anys amb moltes dades d’investigació espacial i biològica. En Joan i l’Alba els estarien esperant. I així es va fer.
L’Ester va programar per a la nau una velocitat de . Amb anys havien d’arribar a una distància de . L’estrella Alfa Centauri és a . Per tant la podrien observar relativament de prop.
Van passar anys a la nau. El mateix dia que en Roger celebrava amb la seva mare el cinquè aniversari, ella va mirar el comptador de quilòmetres de la nau. Marcava i no hi havia cap rastre d’Alpha. L’Ester va revisar-ho tot i va comprovar que tot era correcte. Va fer un senzill càlcul:

- Si hem recorregut vegades més del que estava programat en anys, la nostra velocitat ha estat vegades més gran que la que prevèiem; per tant, només hi ha una conclusió: la teoria de la relativitat d’Einstein és equivocada.

Fig. 1: Albert Einstein (14 de març del 1879 - 18 d'abril del 1955) va ser un físic d'origen alemany, nacionalitzat posteriorment suís i estatunidenc. És el científic més conegut i important del segle XX. La foto de la figura va ser feta en una visita realitzada a Barcelona l'any1923.

Ella i el seu fill havien aconseguit viatjar a , és a ddir, vegades més ràpid que la llum !!! Aquesta proesa era el millor regal que li podia fer al seu fill Roger de anys. Molt contenta, es disposà a viatjar de tornada cap a la Terra. D’altra banda, no van experimentar cap dificultat de tipus biològic, raó per la qual en arribar a la Terra tindrien moltes coses per celebrar.
Passats anys més a la nau, van arribar a la Terra. Però ningú feia cas dels seus senyals de ràdio quan ja hi estaven a molt poca distància. La nau aterrà en un gran descampat. No hi havia ningú, però a prop veieren una carretera i s’hi quedaren esperant que passés algun cotxe. Era el dia del novè aniversari d’en Roger. L’Ester li digué:


- Roger, ben aviat celebrarem tots junts i a casa el teu aniversari, els teus anys, i el de la teva germaneta Alba, de qui tantes vegades t’he parlat durant el viatge.

Mentre deia això, un cotxe es va parar. Van saber que es trobaven molt prop de la ciutat on vivien.

Fig. 1: El físic francès Paul Langevin ((París, 1872 - 1946) ) il·lustrà, amb la paradoxa dels bessons, l'existència de temps diferents en funció de la velocitat, una velocitat que dilata el temps.

A mesura que s’anaven acostant a la ciutat, l’Ester estava inquieta en no reconèixer res. No semblava pas que fos casa seva, aquella ciutat. El conductor els va ratificar que era el lloc on anaven. L’Ester va començar a pensar i a lligar caps: el cotxe era molt estrany, la manera de vestir del conductor també i el lloc estava molt canviat. Mentre anava pensant tot això, va veure un calendari dins el cotxe. Marcava l’any 2090!. Ella havia sortit de la Terra l’any 2010 ! No podia ser!
Arribaren a la ciutat i en baixar del cotxe l’Ester, molt nerviosa, va començar a buscar el carrer on vivien. Un cop arribats, va veure que tot estava molt canviat. Va trobar la porta del que creia que era casa seva i hi va trucar. Uns senyora de mitjana edat va obrir . L’Ester es va identificar però la senyora no va entendre res; només li va donar el nom de la persona que li havia venut aquella casa: una anciana de 81 anys que es deia Alba i que ara vivia davant mateix, a l’altre costat del carrer.
A l’Ester se li va glaçar la sang! Va mirar el seu fillet de anys i li va dir:


- Perdona’m fill, la teva mare ha estat massa orgullosa. Einstein tenia raó. No es pot sobrepassar la velocitat de la llum. He fracassat!

En Roger no entenia res.
Van passar a l’altra banda del carrer i van trucar a la porta indicada. Una senyora gran de anys els va rebre i els va conèixer. Era l’Alba, la germana bessona d’en Roger. El seu pare, en Joan, li havia parlat del seu germà i de la seva mare. I en el seu moment, quan va reconèixer l’error que havien comès i abans de morir, li va dir que els esperés. L’anciana filla i la jove mare es van abraçar. El pare mort; la filla Alba de anys, la seva mare; l’Ester, de , i l’altre fill, germà de l’Alba, en Roger, de anys van ser tots víctimes de la dilatació del temps.

Fig. 1:La teoria de la relativitat va tenir i té una forta influència en tots els àmbits de la societat. La persistència de la memòria, popularment coneguda com Els rellotges tous, és una de les més reconegudes obres de Salvador Dalí (Figueres, 11 de maig de 1904 – íbidem, 23 de gener de 1989). Es tracta d'un oli sobre tela de 24 x 33 cm que l'artista empordanès pintà el 1931.

Explicació

Explicació científica del conte.

La teoria de la relativitat d’Einstein postula que la velocitat de la llum en el buit és una constant universal que no es pot sobrepassar. És com un límit de velocitats, totalment independent del sistema de referència: no podem ni sumar-la ni restar-la a cap altra velocitat. Això implica forçosament que el temps deixa de ser un concepte absolut. Com transcorre el temps depèn del nostre estat de moviment. Això no ho notem respecte a nosaltres mateixos, és clar. Però sí que es nota en comparar els temps transcorreguts.

Considerem dues persones, una en repòs i l'altra que viatja a velocitat de mòdul constant respecte de la primera. A cada una de les persones els passa el temps, el seu temps. Si no es tornen a trobar mai més, no tindrà sentit que comparem els temps que els passa a l’una i l'altra, però sí si la que viatja torna. Notem que pot tornar mantenint el mòdul de la velocitat constant, però necessariament haurà d'accelerar en fer el viratge! Un observador inercial és una persona que està en repòs o viatja a velocitat (mòdul, direcció i sentit) constant. Només la persona que resta en repòs es pot considerar que és un observador inercial; no la que viatja.

és el temps transcorregut que mesura la persona en moviment, la que viatja a una certa velocitat i després torna. S'anomena temps propi.

és el temps transcorregut que mesura la persona en repòs. És també el seu temps propi.

Segons la relativitat, podem escriure que

on és la correcció relativista


on és el mòdul constant de la velocitat a què es viatja i és la velocitat de la llum en el buit .
En el cas del nostre conte,

Fent els càlculs, tenim que ( farem servir el valor aproximat ).
Això vol dir que si la persona que viatja torna al cap de anys (mesurats segons els seus rellotges), el temps que hauria transcorregut segons els rellotges de la persona que resta en repòs seria de anys!.
En el conte, l’Ester, de anys i en Roger, d’ any, han estat viatjant, segons ells mateixos, anys a aquesta velocitat. Per tant, en retornar a la Terra l’Ester té anys i en Roger en té .
Però quan l'Ester i en Roger arriben del viatge, el temps transcorregut per a l'Alba i en Joan, en repòs a la Terra, respecte de la qual la nau ha viatjat a la velocitat, serà . El Joan que tenia anys, ara en tindria més, , i ja és mort. La seva filla Alba, d’ any, ara en té .


Pel que fa al fet d’anar a l’estrella Alfa, és evident que van arribar vegades més lluny a causa que els temps de durada del viatge estaven calculats segons els temps transcorreguts a la Terra. Per tant, es tracta de temps ; però a la nau el temps que es mesura és el temps propi. Haurien d’haver comptat amb la relativitat del temps. Si ho haguessin fet, tenint el compte la teoria de la relativitat, haurien arribat a Alfa, segons els rellotges de la nau, en anys, és a dir, en dies. El seu viatge d’anada i tornada només hauria durat, segons els rellotges de la nau, dies. Quan haguessin tornat a la Terra, l’Ester encara no hauria tingut els i en Roger encara no hauria tingut els anys. El seu marit Joan hauria tingut anys.I la germana bessona, l’Alba, n’hauria tingut, encara, .

Qüestionari

Primera qüestió:
Per allunyar-se de la Terra i vèncer el camp gravitatori fa falta una velocitat de , coneguda com a velocitat d’escapament. Quan es viatja a aquesta velocitat, es produeix algun canvi en els rellotges? És a dir, es produeix alguna dilatació del temps? Si viatgéssim a aquesta velocitat, quant de temps trigaríem a arribar a Alfa Centauri ?


Segona qüestió:
Imaginem un enorme tren (de milers de quilòmetres de llarg) que es mou a la mateixa velocitat de la nau de l’Ester, que hi va a dintre. Imaginem que en Joan veu passar el tren davant seu i pot observar el que hi passa a dintre. L’Ester enfoca una llanterna al sostre del tren, on hi ha un mirall. Ella veu que la llum hi arriba i en torna verticalment. En Joan veu que la llum segueix el camí d’un triangle isòsceles i tarda a arribar al mirall i més a tornar al terra.
Calculeu:
a) L’alçada del tren, tenint en compte que en Joan veu que la llum viatja durant i que el tren va a . Per fer-ho, apliqueu-hi raonaments geomètrics. L’alçada del vagó del tren és tremenda. Penseu que és un tren imaginari!
b) El temps que l’Ester, a dalt del vagó, veurà la llum viatjant.
c) L’Ester i en Joan no es posen d’acord amb la trajectòria que segueix la llum. Qui té raó? Pel que fa al temps que tarda la llum a fer el recorregut, també depèn de l’observador. Es compleix la teoria de la relativitat?

 Autor d'aquesta pągina: Josep M. Valls, professor emèrit de física i química de l’Escola Pia de Nostra Senyora de Barcelona, i Marta Segura, professora de física i química i cap de departament de ciències experimentals de la mateixa escola.

 

Aquesta obra estą subjecta a una
Llicčncia de Creative Commons
Creative Commons License