La física relativista és una branca de la física moderna que va revolucionar la nostra comprensió de lunivers. Aquesta teoria, desenvolupada principalment per Albert Einstein a principis del segle XX, ha esdevingut una pedra angular de la física moderna.
En aquest article, explicarem què és la física relativista, els camps d'estudi, una mica d'història i alguns exemples que il·lustraran els seus conceptes fonamentals.
Què és la física relativista?
La física relativista és una teoria que senfoca en entendre el comportament dobjectes que es mouen a velocitats properes a la velocitat de la llum, així com les interaccions gravitatòries en el marc de la teoria de la relativitat. Es compon principalment de dues teories:
-
La teoria de la relativitat especial
-
La teoria de la relativitat general
1. Teoria de la Relativitat Especial (TRE)
El principi de relativitat especial, formulat per Albert Einstein el 1905, estableix que les lleis de la física són les mateixes per a tots els observadors que es mouen a velocitats constants i uniformes, sense importar la velocitat a què es desplacin.
A més, introdueix la constància de la velocitat de la llum al buit com un límit superior absolut de velocitat a l'univers. Això vol dir que cap partícula amb massa pot assolir o superar la velocitat de la llum.
El principi de relativitat especial va revolucionar la nostra comprensió de la física en unificar espai i temps en una entitat anomenada espai-temps i donant lloc a la famosa equació E=mc^2, que relaciona l'energia i la massa.
2. Teoria de la Relativitat General (TRG)
Desenvolupada per Einstein el 1915, la teoria de la relativitat general amplia la TRE en incloure la gravetat. Aquesta teoria descriu la gravetat com una curvatura de lespai-temps causada per la presència de massa i energia.
La teoria de la relativitat general prediu que els objectes massius, com ara planetes i estrelles, deformen l'espai-temps al seu voltant.
Camps d'estudi a la física relativista
La física relativista inclou una àmplia gamma de camps destudi. Alguns dels camps més destacats inclouen:
1. Cosmologia relativista
Aquesta branca senfoca a comprendre lestructura i levolució de lunivers a gran escala. La TRG és essencial en cosmologia, ja que proporciona bases per als models d'expansió de l'univers, la formació de galàxies i l'existència de forats negres.
2. Relativitat de partícules
S'ocupa de l'estudi de partícules subatòmiques i el comportament a velocitats relativistes.
Les col·lisions de partícules a alta energia, com les que ocorren en acceleradors de partícules com el LHC (Gran Col·lisionador d'Hadrons), són un exemple important d'aquesta àrea de recerca.
3. Astrodinàmica relativista
Aquesta disciplina se centra en l‟òrbita i el moviment d‟objectes celestes, tenint en compte els efectes relativistes. Els sistemes de navegació per satèl·lit, com el GPS, han de tenir en compte la relativitat per proporcionar mesuraments de posició precises.
4. Forats negres i estrelles de neutrons
Aquesta branca estudia objectes extremadament densos i massius, on els efectes relativistes són dominants.
La predicció i l'observació de forats negres i estrelles de neutrons han revolucionat la nostra comprensió de l'univers.
Exemples de la física relativista
Per comprendre millor la física relativista, vegem-ne alguns exemples:
Energia nuclear
L'equació E=mc² i els principis de la Teoria de la Relativitat Especial proporcionen una base teòrica sòlida per entendre com s'allibera l'energia nuclear a partir de la conversió de massa en energia.
Aquesta relació és essencial per comprendre la física subjacent darrere de l'energia nuclear i la seva aplicació tant en fins pacífics (generació d'electricitat a centrals nuclears, medicina nuclear, etc.) com a militars.
Efecte Doppler relativista
Quan una font de llum es mou cap a un observador, les ones de llum es comprimeixen, cosa que resulta en un desplaçament cap al blau a l'espectre. Quan la font s'allunya, les ones s'estiren i es produeix un desplaçament cap al vermell.
Aquest fenomen és conegut com a efecte Doppler relativista i s'utilitza per mesurar velocitats d'objectes astronòmics.
Contracció de longitud
Segons la teoria de la relativitat especial, quan un objecte es mou a velocitats properes a la velocitat de la llum, la seva longitud en la direcció del moviment es contrau en la direcció del moviment.
Això es coneix com a contracció de longitud relativista i és una conseqüència directa de la teoria.
Dilatació del temps
La dilatació del temps relativista és un altre efecte important. Quan un objecte es mou a velocitats relativistes, experimenta una desacceleració del temps en comparació d'un observador en repòs.
Això ha estat confirmat experimentalment i és un component essencial dels sistemes de navegació GPS.
Forats negres
Els forats negres són regions de l'espai-temps on la gravetat és tan intensa que res no pot escapar de la seva atracció, ni tan sols la llum. La teoria de la relativitat especial prediu la formació de forats negres i en descriu el comportament.
L'observació recent de forats negres mitjançant ones gravitacionals ha confirmat aquestes prediccions.