Confirmació experimental de la Teoria de la Relativitat Especial
Autor: Àlex Capilla Miralles
Centre: INST.RAMON BERENGUER IV-AMP.
Document:
En aquest treball s’explicaran els estudis realitzats i les conclusions derivades que s’han anat obtenint al llarg de la història més recent de la física, començant per Galileu i Newton, seguides de les teories clàssiques de l’electrostàtica i de la magnetostàtica. A partir de l’evolució d’aquestes teories, es va arribar a una teoria unificada de l’electromagnetisme, en la qual es va posar en dubte algunes de les lleis clàssiques. Físics com Lorentz, Poincaré, Maxwell, Einstein, Minkovski, i altres, van ser els primers que van trencar amb les idees clàssiques; sobretot Albert Einstein, qui ens va proporcionar un gran salt conceptual amb la Teoria de la Relativitat Especial, la qual va causar molt d’impacte a la comunitat científica de l’època. És aquesta nova Teoria sobre la que hem centrat la part experimental d’aquest treball, realitzant una comparació entre les prediccions de les lleis clàssiques i les derivades de la nova Teoria d’Einstein.
Per fer-ho, s’ha desenvolupat un experiment amb el propòsit de determinar quina de les dues teories és la correcta, on s’ha utilitzat l’estudi del moviment dels muons a l’atmosfera terrestre. Els muons són unes partícules que es formen degut a la col·lisió de raigs còsmics amb partícules de l’atmosfera superior de la Terra i que viatgen a una velocitat similar a la de la llum. Inclús a aquesta velocitat, teòricament, des del punt de vista clàssic, aquestes partícules no poden arribar fins la superfície terrestre, encara que, experimentalment, si que es detecten un número elevat d’aquestes a nivell del mar. Aplicant els nous postulats introduïts per Einstein a la seva Teoria de la Relativitat Especial, es pot explicar de forma molt intuïtiva perquè arriben aquest elevat nombre de muons a la superfície. Per fer la mesura de la quantitat de muons que arriben a la Terra s’ha utilitzat un detector anomenat Cosmic Watch, derivat d’un projecte suportat pel MIT (Massachusetts Institute of Technology), que s’ha muntat al nostre institut per dur a terme aquest treball.
Després de realitzar diferents experiments s’ha pogut observar que els muons sofreixen la dilatació temporal, una conseqüència dels postulats de la Teoria de
la Relativitat Especial. Es van fer tres deteccions, una al nivell del mar, com a control per poder comparar els muons que arriben al nivell del mar amb els que arriben a altres altures abans de desintegrar-se, una detecció dins d’un soterrani, per poder determinar si les partícules que es detectaven eren majoritàriament muons -ja que els muons poden travessar el formigó-, i un altre grup de deteccions a diferents altures (643m, 1092m, 1440m).
El número de deteccions que es van obtenir en aquestes tres deteccions van ser molt similars, de la qual cosa es pot concloure que el detector detecta majoritàriament muons, i que en altures de 1000 metres no podem observar un canvi en la ràtio de muons (muons/s). Segons les lleis clàssiques, a 1000 metres d’altura hauríem de detectar més del doble de muons que al nivell del mar. Segons la Relativitat d’Einstein, amb aquesta distància pràcticament cap muó es desintegra.
Finalment, es va fer una detecció on es va pujar el detector a un avió (que assoleix els 11km d’altura), i la ràtio que es va obtenir va ser el doble que la que vam obtenir al nivell del mar, exactament el que prediu la Teoria de la Relativitat Especial.
Així, la pregunta inicial sobre quina és la teoria que es compleix, la clàssica o la relativista, s’ha respost de manera satisfactòria. S’ha pogut concloure que les lleis que segueix l’Univers són les de la Relativitat Especial i que les lleis clàssiques són un cas particular de la Relativitat en sistemes a baixes velocitats. S’ha aconseguit el propòsit inicial del treball, fent ús del mètode científic, encara que amb més recursos econòmics i més temps, s’hauria pogut millorar el mètode de detecció sincronitzant dos detectors idèntics al que s’ha utilitzat en el treball. El procés de recerca ha estat llarg: la part teòrica ha seguit un eix cronològic marcat per l’evolució de la física fins als inicis del segle XX, que ens ha ajudat a veure com els científics han anat millorant les seves teories al llarg dels anys fent nous descobriments, també s’ha aplicat el mètode científic per tal de demostrar la validesa dels postulats d’Einstein i, finalment, ha permès concloure una resposta, que si bé és qualitativa, apunta a la certesa del que es volia demostrar.
Per fer-ho, s’ha desenvolupat un experiment amb el propòsit de determinar quina de les dues teories és la correcta, on s’ha utilitzat l’estudi del moviment dels muons a l’atmosfera terrestre. Els muons són unes partícules que es formen degut a la col·lisió de raigs còsmics amb partícules de l’atmosfera superior de la Terra i que viatgen a una velocitat similar a la de la llum. Inclús a aquesta velocitat, teòricament, des del punt de vista clàssic, aquestes partícules no poden arribar fins la superfície terrestre, encara que, experimentalment, si que es detecten un número elevat d’aquestes a nivell del mar. Aplicant els nous postulats introduïts per Einstein a la seva Teoria de la Relativitat Especial, es pot explicar de forma molt intuïtiva perquè arriben aquest elevat nombre de muons a la superfície. Per fer la mesura de la quantitat de muons que arriben a la Terra s’ha utilitzat un detector anomenat Cosmic Watch, derivat d’un projecte suportat pel MIT (Massachusetts Institute of Technology), que s’ha muntat al nostre institut per dur a terme aquest treball.
Després de realitzar diferents experiments s’ha pogut observar que els muons sofreixen la dilatació temporal, una conseqüència dels postulats de la Teoria de
la Relativitat Especial. Es van fer tres deteccions, una al nivell del mar, com a control per poder comparar els muons que arriben al nivell del mar amb els que arriben a altres altures abans de desintegrar-se, una detecció dins d’un soterrani, per poder determinar si les partícules que es detectaven eren majoritàriament muons -ja que els muons poden travessar el formigó-, i un altre grup de deteccions a diferents altures (643m, 1092m, 1440m).
El número de deteccions que es van obtenir en aquestes tres deteccions van ser molt similars, de la qual cosa es pot concloure que el detector detecta majoritàriament muons, i que en altures de 1000 metres no podem observar un canvi en la ràtio de muons (muons/s). Segons les lleis clàssiques, a 1000 metres d’altura hauríem de detectar més del doble de muons que al nivell del mar. Segons la Relativitat d’Einstein, amb aquesta distància pràcticament cap muó es desintegra.
Finalment, es va fer una detecció on es va pujar el detector a un avió (que assoleix els 11km d’altura), i la ràtio que es va obtenir va ser el doble que la que vam obtenir al nivell del mar, exactament el que prediu la Teoria de la Relativitat Especial.
Així, la pregunta inicial sobre quina és la teoria que es compleix, la clàssica o la relativista, s’ha respost de manera satisfactòria. S’ha pogut concloure que les lleis que segueix l’Univers són les de la Relativitat Especial i que les lleis clàssiques són un cas particular de la Relativitat en sistemes a baixes velocitats. S’ha aconseguit el propòsit inicial del treball, fent ús del mètode científic, encara que amb més recursos econòmics i més temps, s’hauria pogut millorar el mètode de detecció sincronitzant dos detectors idèntics al que s’ha utilitzat en el treball. El procés de recerca ha estat llarg: la part teòrica ha seguit un eix cronològic marcat per l’evolució de la física fins als inicis del segle XX, que ens ha ajudat a veure com els científics han anat millorant les seves teories al llarg dels anys fent nous descobriments, també s’ha aplicat el mètode científic per tal de demostrar la validesa dels postulats d’Einstein i, finalment, ha permès concloure una resposta, que si bé és qualitativa, apunta a la certesa del que es volia demostrar.